چگونه از اتصال کوتاه در نسل بعدی باتری های لیتیومی جلوگیری کنیم؟ MIT روش جدیدی پیدا کرده است

از آنجایی که محققان به شکستن مرزهای طراحی باتری ادامه می دهند و به دنبال تطبیق نیرو و انرژی بیشتر در یک فضا یا وزن معین هستند، یکی از فناوری های امیدوارکننده ای که در حال مطالعه است، باتری های لیتیوم یونی هستند که از مواد الکترولیت جامد بین دو الکترود به جای استفاده از الکترود استفاده می کنند. مایعات معمولی

اما این نوع باتری همیشه با روند تشکیل یک برآمدگی فلزی منشعب بر روی یکی از الکترودها مواجه بوده است که در نهایت الکترولیت را به هم متصل کرده و باعث اتصال کوتاه باتری می شود. اکنون، محققان MIT و جاهای دیگر راهی برای جلوگیری از تشکیل دندریت پیدا کرده‌اند که می‌تواند پتانسیل این نوع جدید باتری پر انرژی را آزاد کند.

یافته های تحقیق در مجله انرژی طبیعی منتشر شد و به طور مشترک توسط دانشجویان فارغ التحصیل ریچارد پارکر، پروفسور جیانگ هویمینگ و پروفسور کریگ کارتر از موسسه فناوری ماساچوست و همچنین هفت نفر دیگر از موسسه فناوری ماساچوست، دانشگاه A&M تگزاس تکمیل شد. ، دانشگاه براون و دانشگاه کارنگی ملون.

جیانگ توضیح داد که باتری‌های حالت جامد فناوری‌ای هستند که برای مدت طولانی به دو دلیل: ایمنی و چگالی انرژی به دنبال آن بوده‌اند. با این حال، او گفت: "تنها راه برای دستیابی به این چگالی انرژی جالب استفاده از الکترودهای فلزی است." او گفت که اگرچه الکترودهای فلزی همچنان می توانند با الکترولیت های مایع ترکیب شوند تا به چگالی انرژی خوبی دست یابند، اما این مزایای ایمنی مشابه الکترولیت های جامد را فراهم نمی کند.

او گفت که باتری‌های حالت جامد فقط روی الکترودهای فلزی معنا پیدا می‌کنند، اما تلاش‌ها برای ساخت چنین باتری‌هایی با رشد دندریتی که در نهایت شکاف بین دو صفحه الکترود را به هم متصل می‌کند، باعث اتصال کوتاه، ضعیف یا غیرفعال شدن سلول‌ها می‌شود. باتری

ما قبلاً می دانیم که وقتی جریان زیاد است، دندریت ها سریعتر تشکیل می شوند که معمولاً برای شارژ سریع مورد نیاز است. تا کنون، چگالی جریان به‌دست‌آمده در باتری‌های آزمایشی حالت جامد بسیار کمتر از چگالی جریان مورد نیاز برای باتری‌های قابل شارژ تجاری واقعی است. اما جیانگ گفت که این چشم انداز ارزش پیگیری را دارد زیرا نسخه آزمایشی این باتری می تواند دو برابر باتری های لیتیوم یون سنتی انرژی ذخیره کند.

این تیم با ایجاد مصالحه بین حالت جامد و مایع مشکل دندریت ها را حل کرد. آنها یک الکترود نیمه جامد در تماس با مواد الکترولیت جامد ساختند. الکترود نیمه جامد به جای یک سطح جامد شکننده، یک سطح خود ترمیم شونده را در سطح مشترک ایجاد می کند، که ممکن است منجر به ترک های کوچک شود و دانه اولیه برای تشکیل دندریت را فراهم کند.

این ایده از باتری های تجربی با دمای بالا الهام گرفته شد، جایی که یک یا هر دو الکترود از فلز ذوب شده تشکیل شده است. به گفته نویسنده اول مقاله، پارک، استفاده از باتری فلزی مذاب چند صد درجه برای دستگاه های قابل حمل امکان پذیر نیست، اما این کار نشان می دهد که رابط های مایع می توانند چگالی جریان بالایی را بدون تشکیل دندریت به دست آورند. پارک گفت: "انگیزه ما توسعه الکترودهایی بر اساس آلیاژهای با دقت انتخاب شده برای معرفی فاز مایع است که می تواند به عنوان یک عنصر خود ترمیم شونده برای الکترودهای فلزی عمل کند."

او توضیح داد که این ماده استحکام قوی‌تری نسبت به مایع دارد، اما شبیه آمالگامی است که دندانپزشکان برای پر کردن حفره‌ها استفاده می‌کنند، اما همچنان می‌تواند جریان داشته باشد و شکل‌هایی ایجاد کند. در دمای کارکرد معمولی باتری، در حالتی خواهد بود که هر دو فاز جامد و مایع به طور همزمان وجود دارند. در این حالت فاز جامد از مخلوطی از سدیم و پتاسیم تشکیل شده است. جیانگ گفت که تیم تحقیقاتی ثابت کرده است که می توان سیستم را با جریانی 20 برابر جریان لیتیوم جامد بدون تشکیل دندریت کار کرد. گام بعدی تکرار این عملکرد با استفاده از یک الکترود لیتیوم واقعی است.

در نسخه دوم باتری حالت جامد، تیم یک لایه بسیار نازک از آلیاژ سدیم پتاسیم مایع بین الکترود لیتیوم حالت جامد و الکترولیت حالت جامد معرفی کرد. آنها نشان می دهند که این روش همچنین می تواند بر مشکلات دندریتیک غلبه کند و رویکرد دیگری را برای تحقیقات بیشتر فراهم کند.

جیانگ گفت که این روش جدید را می توان به راحتی در بسیاری از نسخه های مختلف باتری های لیتیومی حالت جامد اعمال کرد و محققان در سراسر جهان در حال حاضر در حال مطالعه این نوع باتری هستند. او گفت که گام بعدی این تیم نشان دادن قابلیت کاربرد این سیستم در معماری های مختلف باتری خواهد بود. نویسنده همکار ویسوواناتان، استاد مهندسی مکانیک در دانشگاه کارنگی ملون، گفت: "ما معتقدیم که می‌توانیم این روش را به هر باتری لیتیوم یونی حالت جامد تبدیل کنیم. ما معتقدیم که می‌توان آن را فوراً در توسعه باتری، به طور گسترده در دستگاه‌های دستی استفاده کرد. ، وسایل نقلیه الکتریکی و میدان های الکتریکی."