باتری های حالت جامد انعطاف پذیر چیست؟

گروهی از دانشمندان بین المللی نوع جدیدی از باتری حالت جامد ابداع کرده اند که می تواند برد خودروهای الکتریکی را افزایش داده و از آتش سوزی در لپ تاپ ها و گوشی های هوشمند جلوگیری کند. نویسندگان یافته های خود را در Advanced Energy Materials توضیح می دهند. با جایگزینی الکترولیت‌های مایع مورد استفاده در باتری‌های قابل شارژ معمولی با باتری‌های سرامیکی «جامد»، می‌توانند باتری‌های مؤثرتر و بادوام‌تری تولید کنند که برای استفاده نیز ایمن‌تر هستند. محققان امیدوارند که این مزایا بتواند راه را برای باتری‌های کارآمدتر و سبزتر برای انواع دستگاه‌ها از جمله خودروهای الکتریکی هموار کند.

نویسندگان این مطالعه، از ایالات متحده و بریتانیا، مدتی است که در حال بررسی جایگزین‌هایی برای الکترولیت‌های مایع در باتری‌های لیتیوم یونی هستند. در سال 2016 آنها توسعه یک باتری حالت جامد را اعلام کردند که می تواند با ولتاژ بیش از دو برابر سلول های یون لیتیوم معمولی کار کند، اما با کارایی مشابه.

در حالی که آخرین طراحی آنها نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در نسخه قبلی است، پروفسور دونالد سادووی محقق از MIT خاطرنشان می کند که هنوز جای پیشرفت وجود دارد: "دستیابی به رسانایی یونی بالا در مواد سرامیکی در دماهای بالا می تواند دشوار باشد." "این یک دستاورد بزرگ بود." محققان امیدوارند که پس از آزمایش این باتری‌های بهبودیافته برای وسایل نقلیه الکتریکی یا حتی نیرو دادن به هواپیماها مناسب باشند.

در باتری های حالت جامد با استفاده از الکترولیت های سرامیکی به جای الکترولیت های مایع و قابل اشتعال، از آسیب ناشی از گرمای بیش از حد جلوگیری می شود. اگر باتری آسیب ببیند و شروع به گرم شدن بیش از حد ذرات الکترولیت سرامیکی به جای احتراق کند که از آتش گرفتن آن جلوگیری می کند. منافذ در ساختار این مواد جامد همچنین آنها را قادر می سازد تا بار الکتریکی بسیار بیشتری را با یون هایی که از طریق شبکه گسترده ای در داخل جامد حرکت می کنند، حمل کنند.

این ویژگی ها بدین معناست که دانشمندان توانسته اند هم ولتاژ و هم ظرفیت باتری های خود را در مقایسه با باتری های حاوی الکترولیت های مایع قابل اشتعال افزایش دهند. در واقع، پروفسور Sadoway گفت: "ما یک سلول لیتیوم-هوا را با 12 ولت نشان دادیم که در دمای 90 درجه سانتیگراد [194 درجه فارنهایت] کار می کند. این بالاتر از هر فرد دیگری است."

این طراحی جدید باتری مزایای بالقوه دیگری نسبت به الکترولیت های قابل اشتعال دارد، از جمله این واقعیت که الکترولیت های سرامیکی به طور کلی پایدارتر از الکترولیت های آلی هستند. پروفسور سادووی گفت: "نکته شگفت انگیز این است که چقدر خوب کار می کند." ما از این سلول بیشتر از انرژی دریافت کردیم.

این پایداری می‌تواند به سازندگان اجازه دهد تا تعداد زیادی سلول حالت جامد را در لپ‌تاپ‌ها یا خودروهای الکتریکی بدون نگرانی در مورد گرم شدن بیش از حد آن‌ها بسته‌بندی کنند و دستگاه‌ها را بسیار ایمن‌تر و عمر عملکردی آن‌ها را طولانی‌تر کند. در حال حاضر، اگر این نوع باتری‌ها بیش از حد گرم شوند، خطر آتش‌سوزی را به دنبال دارند - همانطور که اخیراً در مورد تلفن گلکسی نوت 7 سامسونگ اتفاق افتاد. شعله‌های حاصله نمی‌توانند پخش شوند زیرا هیچ هوایی در داخل سلول‌ها وجود ندارد که احتراق را حفظ کند. در واقع، آنها قادر به گسترش فراتر از محل آسیب اولیه نیستند.

این مواد جامد نیز بسیار ماندگار هستند. در مقابل، برخی از تلاش‌ها برای ساخت باتری‌های لیتیوم یونی با الکترولیت‌های مایع قابل اشتعال، که در دمای بالاتر (بیش از 100 درجه سانتی‌گراد) کار می‌کنند، به طور معمول پس از 500 یا 600 چرخه آتش می‌گیرند. الکترولیت های سرامیکی می توانند بیش از 7500 چرخه شارژ/دشارژ را بدون آتش گرفتن تحمل کنند.

یافته‌های جدید می‌تواند هم برای افزایش برد خودروهای الکتریکی و هم برای جلوگیری از آتش‌سوزی گوشی‌های هوشمند بسیار مهم باشد. به گفته سادووی: «نسل‌های قدیمی باتری‌ها دارای باتری‌های استارت اسید سرب [خودرو] بودند. برد کوتاهی داشتند اما فوق‌العاده قابل اعتماد بودند. آتش می گرفت."

او توضیح می‌دهد که باتری‌های لیتیوم یون امروزی یک گام بالاتر از این هستند. او گفت: «آنها برد طولانی دارند، اما ممکن است در اثر گرمای بیش از حد شدید و آتش گرفتن آسیب ببینند.» وی افزود که باتری جدید حالت جامد به طور بالقوه یک «پیشرفت اساسی» است زیرا می تواند به دستگاه های بسیار مطمئن تر و ایمن تر منجر شود.

دانشمندان MIT فکر می کنند که این فناوری می تواند پنج سال طول بکشد تا به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد، اما حتی در اوایل سال آینده امیدوارند شاهد نصب این نوع باتری ها در گوشی های هوشمند تولیدکنندگان بزرگ مانند سامسونگ یا اپل باشند. آنها همچنین خاطرنشان کردند که استفاده های تجاری زیادی برای این سلول ها علاوه بر تلفن، از جمله لپ تاپ و وسایل نقلیه الکتریکی وجود دارد.

با این حال، پروفسور Sadoway هشدار می دهد که هنوز راه زیادی تا تکمیل این فناوری وجود دارد. ما سلولی داریم که واقعاً عالی به نظر می رسد، اما در روزهای ابتدایی است... ما هنوز سلول هایی با مقیاس بزرگ و الکترودهای چگالی توان بالا تولید نکرده ایم."

Sadoway معتقد است که این پیشرفت به طور گسترده بلافاصله مورد استفاده قرار می گیرد زیرا نه تنها می تواند سوخت خودروهای الکتریکی با برد بسیار بیشتر را تامین کند، بلکه به طور بالقوه از آتش سوزی گوشی های هوشمند نیز جلوگیری می کند. شاید شگفت‌انگیزتر پیش‌بینی او این باشد که باتری‌های حالت جامد می‌توانند در کمتر از پنج سال به طور جهانی مورد استفاده قرار گیرند، زمانی که اکثر سازندگان از ایمنی و قابلیت اطمینان آنها مطمئن شوند.