گزارش کامل
مردم توقع زیادی از باتری ها ندارند: وقتی نیاز است و تا هر زمان که خواسته شود انرژی بدهند، به سرعت مجدداً شارژ شوند، و منفجر و مشتعل نشوند.
در سال 2016 یک هجوم از آتش سوزی های واقع شده برای تلفن های همراه، اعتماد مصرف کنندگان را نسبت به باتری های لیتیوم - یون دچار تزلزل کرد، تکنولوژی‌ای که کمک کرده بود که طلیعه دار وسایل الکترونیکی مدرن قابل حمل و نقل باشد، اما از نگرانی های امنیتی از همان موقعی که در دهه 1980 معرفی شده بود رنج برده بود. با توجه به فوران علاقه به خودروهای الکتریکی، محققان و اهالی صنعت در حال جستجو برای بهبود فناوری باتری قابل شارژ هستند که بتواند به طور امن و قابل اعتماد توان لازم برای خودروها، وسایل نقلیه اتوماتیک، رباتیک و سایر دستگاه های نسل بعدی را تأمین کند.
تحقیقات جدید کورنل در حال توسعه طراحی باتری های حالت جامد است، تکنولوژی‌ای که ذاتاً ایمن تر و پر انرژی تر از باتری های لیتیوم - یون امروزی است. آنها بر روی الکترولیت های مایع قابل اشتعال برای انتقال سریع انرژی شیمیایی ذخیره شده در پیوندهای مولکولی به برق متکی هستند. با شروع از الکترولیت های مایع و سپس تبدیل آنها به پلیمرهای جامد درون سلول الکتروشیمیایی، محققان از خواص مایع و جامد برای غلبه بر محدودیت های کلیدی در طرح های باتری فعلی استفاده می کنند. مردم توقع زیادی از باتری ها ندارند: وقتی نیاز است و تا هر زمان که خواسته شود انرژی بدهند، به سرعت مجدداً شارژ شوند، و منفجر و مشتعل نشوند.
چینگ ژائو، محقق پسا دکترا و مؤلف راهبر در این مطالعه، گفت: "یک لیوان پر از مکعب های یخ را تصور کنید: بعضی از یخ ها با شیشه تماس پیدا خواهند کرد، اما جاهای خالی‌ای وجود خواهد داشت". "اما اگر شیشه را با آب پر کنید و آن را فریز کنید، فاصله ها به طور کامل پوشانده می شوند و اتصال قوی بین سطح جامد شیشه و محتوای آن ایجاد می شود." "همین مفهوم عمومی در یک باتری، نرخ های بالای انتقال یون را از سطوح جامد الکترود یک باتری به الکترولیت آن بدون نیاز به این که یک مایع قابل اشتعال به کار انداخته شود تسهیل می کند."
بینش کلیدی، معرفی مولکول های ویژه ای است که قادر به آغاز پلیمریزاسیون درون سلول الکتروشیمیایی هستند، بدون اینکه به دیگر کارکردهای سلول آسیب برسانند. اگر الکترولیت یک اتر دوری باشد، آغازگر را می توان طوری طراحی کرد که حلقه را باز کند و رشته های مونومر واکنشی را تولید کند تا برای ساخت مولکول های زنجیره ای طولانی که اساسا همان شیمی تحت عنوان اتر است، همگی به هم متصل شوند. این پلیمر کهِ اکنون جامد است اتصالات تنگ را در رابط های فلزی حفظ می کند، که این بسیار شبیه یخ درون لیوان است.
علاوه بر ارتباط آنها برای بهبود ایمنی باتری، الکترولیت های حالت جامد همچنین مفیدند برای توانا ساختن باتری های نسل بعدی که از فلزات، از جمله لیتیم و آلومینیوم، به عنوان آند، برای دستیابی به ذخیره ی انرژی‌ای بیشتر از آنچه که در حال حاضر در پیشرفته ترین فن آوری باتری ها در این زمینه میسر است، استفاده می کنند. در این زمینه، الکترولیت جامد حالت مانع از تشکیل دندریتها توسط فلز می شود، که پدیده ای است که می تواند مدار یک باتری را کوتاه کند و باعث بروز گرمای بیش از حد و شکست شود.
با وجود مزایای درک شده از باتری های حالت جامد، تلاش صنعت برای تولید آنها در مقیاس وسیع با موانعی مواجه شده است. هزینه های تولید بالا هستند، و ویژگی های میان فازی ضعیف طرح های قبلی موانع فنی بسیار مهمی را نشان می دهد. یک سیستم حالت جامد همچنین نیاز به خنک کردن باتری را از طریق ایجاد ثبات نسبت به تغییرات حرارتی مرتفع می کند.
پروفسور ارشدِ Lynden Archer، پروفسور جیمز A. Friend، پروفسور برجسته مهندسی در دانشکده شیمی و بیوموکلئید اسمیت، گفت: "یافته های ما راه کاملا جدیدی را برای ایجاد عملیات باتری های حالت جامد فراهم می کند که می تواند در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار گیرد."
بر طبق نظر آرچر، استراتژی طبیعی جدید برای ایجاد الکترولیت های پلیمری جامد بسیار هیجان انگیز است، زیرا این نشان دهنده نویدی است برای گسترش چرخه عمر و قابلیتهای شارژ کردن باتری های قابل شارژ با تراکم انرژی بالا.
آرچر گفت: "رویکرد ما برای فناوری امروز یون لیتیوم با امن تر ساختن آن کار می کند، اما فرصتی برای تکنولوژی باتری آینده ارائه می دهد."
در سال 2016 یک هجوم از آتش سوزی های واقع شده برای تلفن های همراه، اعتماد مصرف کنندگان را نسبت به باتری های لیتیوم - یون دچار تزلزل کرد، تکنولوژی‌ای که کمک کرده بود که طلیعه دار وسایل الکترونیکی مدرن قابل حمل و نقل باشد، اما از نگرانی های امنیتی از همان موقعی که در دهه 1980 معرفی شده بود رنج برده بود. با توجه به فوران علاقه به خودروهای الکتریکی، محققان و اهالی صنعت در حال جستجو برای بهبود فناوری باتری قابل شارژ هستند که بتواند به طور امن و قابل اعتماد توان لازم برای خودروها، وسایل نقلیه اتوماتیک، رباتیک و سایر دستگاه های نسل بعدی را تأمین کند.
تحقیقات جدید کورنل در حال توسعه طراحی باتری های حالت جامد است، تکنولوژی‌ای که ذاتاً ایمن تر و پر انرژی تر از باتری های لیتیوم - یون امروزی است. آنها بر روی الکترولیت های مایع قابل اشتعال برای انتقال سریع انرژی شیمیایی ذخیره شده در پیوندهای مولکولی به برق متکی هستند. با شروع از الکترولیت های مایع و سپس تبدیل آنها به پلیمرهای جامد درون سلول الکتروشیمیایی، محققان از خواص مایع و جامد برای غلبه بر محدودیت های کلیدی در طرح های باتری فعلی استفاده می کنند. مردم توقع زیادی از باتری ها ندارند: وقتی نیاز است و تا هر زمان که خواسته شود انرژی بدهند، به سرعت مجدداً شارژ شوند، و منفجر و مشتعل نشوند.
چینگ ژائو، محقق پسا دکترا و مؤلف راهبر در این مطالعه، گفت: "یک لیوان پر از مکعب های یخ را تصور کنید: بعضی از یخ ها با شیشه تماس پیدا خواهند کرد، اما جاهای خالی‌ای وجود خواهد داشت". "اما اگر شیشه را با آب پر کنید و آن را فریز کنید، فاصله ها به طور کامل پوشانده می شوند و اتصال قوی بین سطح جامد شیشه و محتوای آن ایجاد می شود." "همین مفهوم عمومی در یک باتری، نرخ های بالای انتقال یون را از سطوح جامد الکترود یک باتری به الکترولیت آن بدون نیاز به این که یک مایع قابل اشتعال به کار انداخته شود تسهیل می کند."
بینش کلیدی، معرفی مولکول های ویژه ای است که قادر به آغاز پلیمریزاسیون درون سلول الکتروشیمیایی هستند، بدون اینکه به دیگر کارکردهای سلول آسیب برسانند. اگر الکترولیت یک اتر دوری باشد، آغازگر را می توان طوری طراحی کرد که حلقه را باز کند و رشته های مونومر واکنشی را تولید کند تا برای ساخت مولکول های زنجیره ای طولانی که اساسا همان شیمی تحت عنوان اتر است، همگی به هم متصل شوند. این پلیمر کهِ اکنون جامد است اتصالات تنگ را در رابط های فلزی حفظ می کند، که این بسیار شبیه یخ درون لیوان است.
علاوه بر ارتباط آنها برای بهبود ایمنی باتری، الکترولیت های حالت جامد همچنین مفیدند برای توانا ساختن باتری های نسل بعدی که از فلزات، از جمله لیتیم و آلومینیوم، به عنوان آند، برای دستیابی به ذخیره ی انرژی‌ای بیشتر از آنچه که در حال حاضر در پیشرفته ترین فن آوری باتری ها در این زمینه میسر است، استفاده می کنند. در این زمینه، الکترولیت جامد حالت مانع از تشکیل دندریتها توسط فلز می شود، که پدیده ای است که می تواند مدار یک باتری را کوتاه کند و باعث بروز گرمای بیش از حد و شکست شود.
با وجود مزایای درک شده از باتری های حالت جامد، تلاش صنعت برای تولید آنها در مقیاس وسیع با موانعی مواجه شده است. هزینه های تولید بالا هستند، و ویژگی های میان فازی ضعیف طرح های قبلی موانع فنی بسیار مهمی را نشان می دهد. یک سیستم حالت جامد همچنین نیاز به خنک کردن باتری را از طریق ایجاد ثبات نسبت به تغییرات حرارتی مرتفع می کند.
پروفسور ارشدِ Lynden Archer، پروفسور جیمز A. Friend، پروفسور برجسته مهندسی در دانشکده شیمی و بیوموکلئید اسمیت، گفت: "یافته های ما راه کاملا جدیدی را برای ایجاد عملیات باتری های حالت جامد فراهم می کند که می تواند در طیف وسیعی از کاربردها مورد استفاده قرار گیرد."
بر طبق نظر آرچر، استراتژی طبیعی جدید برای ایجاد الکترولیت های پلیمری جامد بسیار هیجان انگیز است، زیرا این نشان دهنده نویدی است برای گسترش چرخه عمر و قابلیتهای شارژ کردن باتری های قابل شارژ با تراکم انرژی بالا.
آرچر گفت: "رویکرد ما برای فناوری امروز یون لیتیوم با امن تر ساختن آن کار می کند، اما فرصتی برای تکنولوژی باتری آینده ارائه می دهد."
لزوم باز کردن محدودیت‌های باتری‌های لیتیوم یون: الکترودهایی برای همه باتری‌های جامد حالت
دانشمندان با توسعه باتری هایی با مقاومت کم در رابط الکترود / الکترولیت جامد آنها، یکی از معایب اصلی باتری های حالت جامد را مورد توجه قرار داده اند. باتری های ساخته شده دارای ویژگی های الکتروشیمیایی عالی هستند که به شدت از باتری های سنتی و همه جا حاضر Li-ion برتر هستند. و از این طریق، نوید فن آوری باتری تمام حالت جامد و پتانسیل آن برای انقلاب الکترونیک قابل حمل را می دهند. با وجود مزایای درک شده از باتری های حالت جامد، تلاش صنعت برای تولید آنها در مقیاس وسیع با موانعی مواجه شده است.
بسیاری از مصرف کنندگان با باتری های قابل شارژ یون لیتیوم آشنا هستند که طی چند دهه گذشته پیشرفت کرده و اکنون در همه انواع دستگاه های الکترونیکی رایج هستند. با وجود استفاده گسترده از آن، دانشمندان و مهندسان بر این باورند که فناوری باتری سنتی لیتیوم یون در حال نزدیک شدن به پایان پتانسیل کامل خود است و انواع جدیدی از باتری ها مورد نیاز است.
باتری های جامد حالت یک نوع جدید از باتری های لیتیوم یون هستند و ثابت کرده اند که دستگاه های ذخیره انرژی با انرژی پتانسیل با تراکم انرژی بالاتری دارند. با این حال، استفاده از چنین باتری ها به علت یک عیب عمده آنها محدود است: مقاومت آنها در رابط الکترود / الکترولیت جامد بسیار بالا است، و این مانع شارژ و تخلیه سریع می شود. با مرتفع شدن این عیوب اولیه، این باتری ها به زودی جایگزین باتری های سنتی خواهند شد.
برگرفته از سایت ساینس دیلی
بسیاری از مصرف کنندگان با باتری های قابل شارژ یون لیتیوم آشنا هستند که طی چند دهه گذشته پیشرفت کرده و اکنون در همه انواع دستگاه های الکترونیکی رایج هستند. با وجود استفاده گسترده از آن، دانشمندان و مهندسان بر این باورند که فناوری باتری سنتی لیتیوم یون در حال نزدیک شدن به پایان پتانسیل کامل خود است و انواع جدیدی از باتری ها مورد نیاز است.
باتری های جامد حالت یک نوع جدید از باتری های لیتیوم یون هستند و ثابت کرده اند که دستگاه های ذخیره انرژی با انرژی پتانسیل با تراکم انرژی بالاتری دارند. با این حال، استفاده از چنین باتری ها به علت یک عیب عمده آنها محدود است: مقاومت آنها در رابط الکترود / الکترولیت جامد بسیار بالا است، و این مانع شارژ و تخلیه سریع می شود. با مرتفع شدن این عیوب اولیه، این باتری ها به زودی جایگزین باتری های سنتی خواهند شد.
برگرفته از سایت ساینس دیلی
مترجم: حمید وثیق زاده انصاری
