لایه نشانی جدید می‌تواند پیامدهای بزرگی برای باتری‌های لیتیوم داشته باشد

باتری لیتیوم - یون.
اعتبار: © janaka Dharmasena / Adobe Stock
لایه نشانی، لایه محافظ اضافی‌ای برای کاتدهای باتری فراهم می‌کند.
 

ساخت یک باتری لیتیوم - یونِ بهتر درگیر در نظر گرفتن هزاران فاکتور به طور همزمان است، از رسانا نگه داشتن کاتد باتری از نظر الکتریکی و یونی گرفته تا اطمینان از این که باتری بعد از سیکل های کاری زیاد، امن باقی می ماند.
 
در یک کشف جدید، دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون دپارتمان انرژی ایالات متحده (DOE)، یک پوشش کاتدی جدید را با استفاده از یک تکنیک نشست بخار شیمیایی اکسیداتیو توسعه داده اند که می تواند به حل یک جای این و چندین مشکل احتمالی دیگر در رابطه با باتری های لیتیوم - یون کمک کند.
 
خلیل امین، شخص برجسته آرگون و دانشمند باتری گفت: "پوششی که ما کشف کرده ایم واقعا پنج یا شش پرنده را با یک سنگ می زند."
 
در این تحقیق، امین و محققین همکارش، ذرات ماده کاتدی پیشگام آرگون، نیکل – منگنز - کبالت (NMC)، را گرفتند و آنها را با یک پلیمر حاوی گوگرد به نام PEDOT در کپسول قرار دادند. این پلیمر، لایه ای برای کاتد برای حفاظت از الکترولیت باتری به هنگام شارژ و دشارژ باتری فراهم می کند.
 
بر خلاف پوشش های مرسوم، که فقط از سطح بیرونی ذرات کاتدی دارای اندازه میکرونی محافظت می کنند و داخل را در مقابل ترک خوردگی آسیب پذیر رها می کنند، پوشش PEDOT توانایی نفوذ به داخل ذرات کاتدی و اضافه کردن یک لایه محافظ اضافی را دارد.
 
علاوه بر این، اگر چه PEDOT از تعامل شیمیایی بین باتری و الکترولیت جلوگیری می کند، اجازه انتقال لازم یون های لیتیوم و الکترون هایی که باتری برای عملکرد نیاز دارد را می دهد.
 
گیلیانگ کو، شیمیدان آرگون و اولین نویسنده تحقیق، گفت: "این پوشش اساسا سازگار با تمام فرآیندها و شیمی‌ای است که باعث می شود باتری کار کند، و با تمام واکنش های بالقوه ای که موجب انحطاط یا بد عمل کردن باتری می شوند ناسازگار است."
 
پوشش همچنین عمدتا از یک واکنش دیگر که کاتد باتری را غیرفعال می کند جلوگیری می کند. در این واکنش، ماده کاتد تبدیل به شکل دیگری به نام اسپینل می شود. امین گفت: "ترکیب تقریبا عاری از شکل گیری اسپینل با خواص دیگر آن باعث می شود که این پوشش یک ماده بسیار هیجان انگیز باشد."
 
ماده PEDOT همچنین توانایی جلوگیری از آزاد سازی اکسیژن، یک عامل مهم برای تخریب مواد کاتدی NMC در ولتاژ بالا، را نشان داد. امین گفت: "این پوشش PEDOT همچنین قادر به سرکوب آزاد سازی اکسیژن در طی شارژ بود، که منجر به بهبود پایداری ساختاری و همچنین ایمنی می شود."
 
امین اشاره کرد که دانشمندان باتری احتمالا می توانند پوشش را برای استفاده در باتری های حاوی NMC غنی از نیکل گسترش دهند. وی گفت: "این پلیمر برای مدت زمان هایی در دسترس بوده است، اما ما هنوز هم تعجب می کنیم از این همه اثرات دلگرم کننده ای که در بر دارد."
 
با استفاده از این پوشش، محققان بر این باورند که باتری های حاوی NMC می توانند در ولتاژ های بالاتر کار کنند - بنابراین تولید انرژی خود را افزایش می دهند یا طول عمر بیشتری دارند یا هر دو.
 

پیشرفت می تواند راه را برای باتری های ارزان تر و بادوام تر برای وسایل نقلیه الکتریکی هموار کند.
 
محققان راه هایی برای ایجاد یک باتری جدید با ظرفیت شارژ ثبت شده بالا پیدا کرده اند. با اضافه کردن کروم یا وانادیوم به کاتد لیتیم – منگنز - اکسید، باتری می تواند تلفن های هوشمند و خودروهای متحرک با باتری را به گونه ای فعال کند که فاصله بین شارژهای متوالی آنها دو برابر شود.
     
کریستوفر والورتون، استاد علوم و مهندسی مواد در دانشکده مهندسی مک کورمیک نورت وسترن، که این مطالعه را هدایت کرد، گفت: "فهمیده شده که این الکترودِ باتری یکی از بزرگترین ظرفیت های گزارش شده را برای تمام الکترود های مبتنی بر گذار فلز – اکسید دارد. بیش از دو برابر ظرفیت مواد موجود در تلفن همراه یا لپ تاپ شما را دارد." "این نوع از ظرفیت بالا، پیشرفت بزرگی برای هدف باتری های لیتیوم - یون برای خودروهای الکتریکی است."
 
باتری های لیتیوم - یون با محصور کردن یون های لیتیوم به جلو و عقب بین آند و کاتد کار می کنند. کاتد از یک ترکیب ساخته شده است که متشکل از یون های لیتیوم، یک فلز گذرا، و اکسیژن است. فلز گذار، که به طور معمول کبالت است، به طور موثر زمانی که یون لیتیوم از آند به کاتد و برعکس حرکت می کند انرژی الکتریکی را ذخیره و آزاد می کند.  پوشش PEDOT اساسا سازگار با تمام فرآیندها و شیمی‌ای است که باعث می شود باتری کار کند، و با تمام واکنش های بالقوه ای که موجب انحطاط یا بد عمل کردن باتری می شوند ناسازگار است. ظرفیت کاتد سپس توسط تعداد الکترون ها در فلز گذار که می توانند در واکنش شرکت کنند محدود می شود.
 
یک تیم تحقیقاتی فرانسوی برای اولین بار در سال 2016 از ترکیب پر ظرفیت لیتیوم – منگنز - اکسید گزارش داد. با جایگزینی کبالت سنتی با منگنز ارزان تر، تیم الکترودی ارزانتر را با ظرفیتی بیش از دو برابر را توسعه داد. اما این عاری چالش های خود نبود. عملکرد این باتری در طی دو سیکل اول به طور قابل توجهی انحطاط یافت که محققان آن را از نظر تجاری قابل دوام در نظر نگرفتند. آنها همچنین به طور کامل منشأ شیمیایی ظرفیت زیاد یا انحطاط آن را نمی دانستند.
 
بعد از ساخت یک تصویر اتم به اتم جزئی از کاتد، تیم ولورتون  علت ظرفیت بالای ماده را کشف کرد: این ماده اکسیژن را مجبور به شرکت در روند واکنش می کند. با استفاده از اکسیژن - علاوه بر فلز گذار - برای ذخیره و آزاد سازی انرژی الکتریکی، باتری دارای ظرفیت بالاتری برای ذخیره و استفاده از لیتیوم بیشتر است.
 

منبع: DOE / Laboratory of Argonne National