15 ژانویه 2022
محققان آزمایشگاه ملی شتابدهنده SLAC در وزارت انرژی ایالات متحده و دانشگاه استنفورد ممکن است راهی برای احیای باتری های لیتیومی قابل شارژ پیدا کرده باشند که به طور بالقوه باعث افزایش دامنه وسایل نقلیه الکتریکی و عمر باتری در دستگاه های الکترونیکی نسل بعدی می شود.
با استفاده از باتری‌های لیتیومی، جزایر کوچکی از لیتیوم غیرفعال را جمع می‌کنند که از الکترودها جدا شده و ظرفیت باتری برای ذخیره شارژ کاهش می‌یابد. اما تیم تحقیقاتی کشف کردند که می‌توانند این لیتیوم «مرده» را مانند کرمی به سمت یکی از الکترودها خزش دهند تا زمانی که دوباره وصل شوند و تا حدودی روند ناخواسته را معکوس کنند.
افزودن این مرحله اضافی، تخریب باتری آزمایشی آنها را کاهش و طول عمر آن را نزدیک به 30٪ افزایش داد.
فانگ لیو، محقق ارشد پژوهشی که در 22 دسامبر در Nature منتشر شد، گفت: ما اکنون در حال بررسی امکان بازیابی ظرفیت از دست رفته در باتری‌های لیتیوم یون با استفاده از یک مرحله تخلیه بسیار سریع هستیم.
تحقیقات زیادی بر روی جستجوی راه‌هایی برای ساخت باتری‌های قابل شارژ با وزن سبک‌تر، طول عمر بیشتر، ایمنی بهبود یافته و سرعت شارژ سریع‌تر نسبت به فناوری لیتیوم یونی که در حال حاضر در تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شود، متمرکز شده است. تمرکز ویژه بر روی توسعه باتری های لیتیوم فلزی است که می توانند انرژی بیشتری را در هر حجم یا وزن ذخیره کنند. به عنوان مثال، در خودروهای الکتریکی، این باتری‌های نسل بعدی می‌توانند مسافت پیموده شده را در هر بار شارژ افزایش دهند و احتمالاً فضای صندوق عقب کمتری را اشغال کنند.
هر دو نوع باتری از یون های لیتیوم با بار مثبت استفاده می کنند که بین الکترودها رفت و آمد می کنند. با گذشت زمان، مقداری از لیتیوم فلزی از نظر الکتروشیمیایی غیرفعال می شود و جزایر جدا شده ای از لیتیوم را تشکیل می دهد که دیگر به الکترودها متصل نمی شوند. این منجر به از دست دادن ظرفیت می شود و یک مشکل خاص برای فناوری لیتیوم-فلز و برای شارژ سریع باتری های لیتیوم یونی است.
با این حال، در مطالعه جدید، محققان نشان دادند که می توانند لیتیوم جدا شده را برای افزایش عمر باتری بازیابی کنند.
یی کوی، استاد دانشگاه استنفورد و SLAC و محقق مؤسسه تحقیقات مواد و انرژی استنفورد (SIMES) گفت: “من همیشه لیتیوم جدا شده را بد می دانستم، زیرا باعث پوسیدگی باتری ها و حتی آتش گرفتن آنها می شود. اما ما کشف کرده‌ایم که چگونه می‌توان این لیتیوم «مرده» را با الکترود منفی دوباره به‌صورت الکتریکی وصل کرد تا دوباره فعال شود.»
ایده این مطالعه زمانی متولد شد که کوی حدس زد که اعمال ولتاژ به کاتد و آند باتری می‌تواند باعث شود جزیره لیتیوم جدا شده به طور فیزیکی بین الکترودها حرکت کند – فرآیندی که تیم او اکنون با آزمایش‌های خود تأیید کرده است.
دانشمندان یک سلول نوری با یک کاتد لیتیوم نیکل- منگنز- اکسید کبالت (NMC)، یک آند لیتیوم و یک جزیره لیتیوم ایزوله در بین آنها ساختند. این دستگاه آزمایشی به آنها اجازه می‌داد تا در زمان واقعی آنچه را که در باتری در حال استفاده است، ردیابی کنند.آنها دریافتند که جزیره لیتیومی جدا شده اصلا “مرده” نیست بلکه به عملیات باتری پاسخ می دهد. هنگام شارژ سلول، جزیره به آرامی به سمت کاتد حرکت کرد. هنگام تخلیه، در جهت مخالف خزید.
کوی گفت: «این مانند یک کرم بسیار کند است که سر خود را به سمت جلو می کشد و دم خود را به داخل می کشد تا نانومتر به نانومتر حرکت کند. در این حالت، با حل شدن در یک سر و رسوب مواد به انتهای دیگر، انتقال می یابد. اگر بتوانیم کرم لیتیومی را در حرکت نگه داریم، در نهایت آند را لمس می کند و اتصال الکتریکی را دوباره برقرار می کند.
نتایجی که دانشمندان با دیگر باتری‌های آزمایشی و از طریق شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای تأیید کردند، همچنین نشان می‌دهد که چگونه می‌توان لیتیوم جدا شده را در یک باتری واقعی با اصلاح پروتکل شارژ بازیابی کرد.
لیو گفت: «ما دریافتیم که می‌توانیم لیتیوم جدا شده را در حین تخلیه به سمت آند حرکت دهیم و این حرکات در جریان‌های بالاتر سریع‌تر هستند. بنابراین ما یک مرحله تخلیه سریع و با جریان بالا را درست پس از شارژ باتری اضافه کردیم که لیتیوم جدا شده را به اندازه کافی دور کرد تا دوباره به آند متصل شود. این لیتیوم را دوباره فعال می کند تا بتواند در عمر باتری شرکت کند.یافته‌های ما همچنین پیامدهای گسترده‌ای برای طراحی و توسعه باتری‌های لیتیوم فلزی قوی‌تر دارد.»
