باتری حالت جامد: کلاس مواد جدید با هدایت یونی عالی

14 فوریه 2023 – توسط دانشگاه فنی مونیخ -دکتر Anatoliy Senyshyn در پراش سنج پودر SPODI در FRM II. اعتبار: دانشگاه فنی مونیخ

یک تیم تحقیقاتی در دانشگاه فنی مونیخ (TUM) یک کلاس مواد با رسانایی بالاتر از حد متوسط را کشف کرده است. این گامی تعیین کننده در توسعه باتری های حالت جامد با کارایی بالا است. تحقیقات انجام شده در منبع تحقیقاتی نوترونی هاینز مایر-لایبنیتس (FRM II) کمک اساسی به این کشف کرد.

باتری‌های آینده باید انتظارات بالایی را برآورده کنند: آنها باید سبک‌تر باشند و عملکرد بهتری داشته باشند، عمر طولانی‌تری داشته باشند، ایمن‌تر و همچنین کمتر در معرض خطا باشند.

دانشمندان در سراسر جهان این اهداف را با استفاده از فناوری‌های حالت جامد دنبال می‌کنند: باتری‌های حالت جامد فاقد مایع هستند، برخلاف باتری‌های قابل شارژ سنتی که در آن یون‌های لیتیوم از طریق الکترولیت مایع از آند به کاتد حرکت می‌کنند و دوباره برمی‌گردند. در مقابل، الکترولیت در باتری‌های حالت جامد ماده جامدی است که نه می‌تواند نشت کند و نه بسوزد. علاوه بر این، این الکترولیت جامد به کاهش وزن باتری کمک می کند و از لحاظ نظری آن را به یک جایگزین ایده آل تبدیل می کند.

پروفسور توماس فاسلر استاد شیمی معدنی TUM با تمرکز بر مواد جدید می‌گوید: «اما در عمل الکترولیت‌های حالت جامد موجود، عمدتاً سرامیک‌های اکسیدی یا ترکیبات مبتنی بر گوگرد، نشان داده‌اند که نمی‌توانند به طور کامل انتظارات را برآورده کنند».

او به همراه تیمش و با همکاری نزدیک با TUMint·Energy Research GmbH به دنبال الکترولیت‌های کارآمدتر است: “مشکل این است که یون‌های لیتیوم فقط به آرامی در مواد جامد منتشر می‌شوند. هدف ما درک بهتر انتقال یون و سپس استفاده از دانش برای افزایش رسانایی آن بود..”

نتیجه تلاش آنها یک پودر کریستالی است که رسانای بالاتر از حد متوسط یون های لیتیوم است. این ماده حاوی گوگرد نیست، بلکه حاوی فسفر، آلومینیوم و نسبت نسبتاً بالایی از لیتیوم است. اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی نشان داده‌اند که این کلاس ماده که قبلا نادیده گرفته شده بود، سطح بالایی از رسانایی دارد.

در مدت زمان بسیار کوتاهی، شیمیدانان با موفقیت حدود دوازده ترکیب جدید مرتبط را ایجاد کردند که به جای آلومینیوم حاوی سیلیکون یا قلع است. این پایه گسترده مواد جدید، بهینه سازی سریع خواص مواد را ممکن می سازد.

و چرا این مواد رسانای یونی خوبی هستند؟ فاسلر توضیح می دهد: “برای پاسخ به این سوال، فرآیندهایی که در داخل کریستال ها اتفاق می افتد باید قابل مشاهده باشند.” اما این با تجهیزات آزمایشگاهی معمولی امکان پذیر نیست، زیرا اتم های لیتیوم بسیار سبک هستند.

راه حل: پرتوهای نوترونی است .”نوترون‌هایی که از راکتور تحقیقاتی در اختیار داریم، یافتن سبک‌ترین اتم‌ها را ممکن می‌سازد. این به این دلیل است که نوترون‌ها با هسته اتم‌ها برهمکنش می‌کنند و نه با پوسته اتمی، همانطور که در مورد تابش اشعه ایکس وجود دارد.”

“در گذشته ما قبلاً انواع اعضای خانواده جدید و متنوع رسانای یون لیتیوم جامد را بررسی کرده بودیم. می‌توانیم از پراش نوترون برای تجسم نحوه استفاده یون‌ها از فضای آزاد در شبکه کریستالی برای حرکت استفاده کنیم.”

در کلاس مواد جدید، این فضاهای آزاد به گونه ای چیده شده اند که یون ها می توانند به خوبی در همه جهات حرکت کنند. این نتیجه تقارن بالایی است که در کریستال ها یافت می شود و احتمالاً علت رسانایی لیتیوم فوق یونی است که اکنون تیم TUM توانسته است آن را مشاهده کند.

فسلر می‌گوید، پودرهای سنتز شده، نامزدهای الکترولیت بسیار امیدوارکننده‌ای برای باتری‌های حالت جامد آینده هستند. “تحقیقات اساسی ما این پتانسیل را دارد که توسعه باتری های با کارایی بالاتر را تسریع بخشد.”

این یافته ها در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.