محققان باتری لیتیوم جامدی ساختند که توانایی مقابله با دماهای بسیار زیاد را دارد

یکی از اهداف پیش روی محققان در فناوری باتری‌ها، کم‌خطرتر کردن باتری‌های لیتیوم یونی کنونی است که به وفور در همه‌جا یافت می‌شوند. این باتری‌های را می‌توان در خودروهای برقی و گوشی‌های هوشمند یا رایانه‌های همراهی که هم‌اکنون مشغول مطالعه‌ی این مطلب در آن‌ها هستید یافت. این منابع کوچک انرژی، از نظر ذخیره کردن مقدار زیادی انرژی در فضایی کوچک بسیار قابل ستایش هستند، اما در دماهای بالا با مشکلاتی مواجه می‌شوند.

نسخه‌هایی از این باتری‌ها که در آن‌ها الکترولیت‌های مایع درون باتری با نمونه‌هایی جامد جایگزین شده است به عنوان راهی برای برطرف کردن این مشکل مورد توجه قرار گرفته‌اند و محققان نیز به تازگی به پاسخ محتملی رسیده‌اند. ساخت باتری لیتیوم یونی جامدی که می‌تواند بدون آن که آتش بگیرد تا ۱۰۰ درجه‌ی سلسیوس گرم شود. اگر تاکنون در فصل تابستان گوشی هوشمند خود را در زیر نور مستقیم خورشید رها کرده باشید، احتمالا پس از برداشتن آن پیغامی مبنی بر افزایش دمای دستگاه مشاهده کرده‌اید که به شما توصیه می‌کند پیش از استفاده از گوشی، اجازه دهید خنک شود. این بدان دلیل است که الکترولیت مایع موجود در داخل باتری، تحت دمای بالا می‌تواند متورم شده یا حتی آتش بگیرد. نحوه‌ی شارژ نامناسب یا ماندن طولانی مدت دستگاه در شارژ نیز می‌تواند عامل دیگری برای این حادثه باشد.

چنین مواردی در باتری‌های لیتیوم یونی بسیار اندک و انگشت‌شمار هستند، اما سوختن یک آیفون قضیه‌ای با آتش گرفتن یک وسیله‌ی نقلیه کاملا متفاوت است. استفاده از میزان بسیار زیادی باتری‌های لیتیوم یونی در طول روز در سراسر جهان، نشان‌دهنده‌ی این است که به میزان کافی فرصت برای رخ دادن خطا در این باتری‌ها وجود دارد. همین موجب شد که محققان به این فکر بیفتند که چگونه می‌توان امنیت این باتری‌ها را افزایش داد. تراشه‌های هوشمندی که در درون باتری‌ها جاسازی می‌شوند تا بر سلامت آن‌ها نظارت کنند یک گزینه است و جایگزینی الکترولیت‌های مایع با نمونه‌هایی جامد گزینه‌ای دیگر است که مورد دوم توجهات بسیاری را در آزمایشگاه‌های سراسر جهان به خود جلب کرده است.

الکترولیت محلولی است که وظیفه‌ی جابجا کردن بارهای الکتریکی بین الکترودهای مثبت و منفی را دارد. ایده‌ی پشت باتری‌های لیتیومی حالت جامد، جایگزینی محلول مورد نظر با ماده‌ای جامد است که بتواند دماهای بالا را تحمل کند. اما این مفهوم مشکلات جدیدی به وجود می‌آورد. از جمله این مشکلات می‌توان به چگونگی اتصال الکترولیت جامد به الکترودهای جامد اشاره کرد، به گونه‌ای که بار الکتریکی بتواند با کمترین مقاومت الکتریکی ممکن جریان یابد و زمان اجرای آن در یک شارژ کامل به بیشترین حد ممکن برسد.

محققان در انستیتوی تکنولوژی فدرال زوریخ، به طراحی جدیدی برای باتری‌ها رسیده‌اند که معتقدند می‌تواند این مشکل را حل کند. آن‌ها باتری را به ساندویچی تشبیه می‌کنند که نان آن الکترودها و گوشیت آن لایه‌ای از الکترولیت گارنت لیتیوم جامد است. گارنت نوعی ماده‌ی معدنی است که سنگ‌های قیمتی زیادی از آن ساخته می‌شود و به عنوان ماده‌ی ساینده در برش جت‌آبی نیز استفاده می‌شود. این ماده یکی از بالاترین رسانایی‌های شناخته شده را برای یون‌های لیتیوم دارد.

این تیم، الکترولیت جامد گارنت را به گونه‌ای طراحی کردند که دارای سطحی متخلخل باشد. سپس الکترود منفی را به صورتی چسبناک طراحی کردند که بدان اجازه می‌داد به این منافذ نفوذ کند. این امر موجب ایجاد ناحیه‌ی تماس بزرگتری بین الکترود و الکترولیت شده و بدین ترتیب باتری سریع‌تر شارژ می‌شود. زمانی که محققان این نمونه‌ها را آزمایش کردند، طراحی مورد نظر نشان داد که می‌تواند دماهایی تا حدود ۱۰۰ درجه‌ی سانتیگراد را به خوبی تحمل کند.

جان وندن بروک، یکی از نویسندگان این تحقیق در این مورد می‌گوید:

اگر از الکترولیت‌های مایع یا ژل‌مانند استفاده کنیم، هرگز به چنین دماهایی بالایی نخواهیم رسید.

باتری در فرم کنونی خود، در دمای ۹۵ درجه‌ی سلسیوس و بالاتر به بهترین نحو ممکن کار می‌کند، چرا که دماهای بالا موجب تسهیل حرکت یون‌های لیتیوم می‌شوند. این می‌تواند موجب استفاده از آن در نیروگاه‌های ذخیره‌ی باتری شود که انرژی الکتریکی را برای مواقع لزوم ذخیره می‌کنند.

سمیح افیون، یکی از محققان پیشین در انستیتوی تکنولوژی فدرال زوریخ که در حال حاضر در انستیتوی تکنولوژی ازمیر ترکیه مشغول به فعالیت است می‌گوید:

امروزه گرمای تلف شده‌ی ناشی از بسیاری از فعالیت‌های صنعتی، بدون استفاده ناپدید می‌شود. با جفت کردن نیروگاه‌های باتری با امکانات صنعتی، می‌توان از گرمای تلف شده، برای اداره‌ی نیروگاه ذخیره‌ای در دماهای مطلوب استفاده کرد.

اما این تیم می‌گویند با توسعه‌هایی که در آینده صورت می‌پذیرد، حالت جامد ساندویچ‌مانند را می‌توان به باتری‌های لایه نازک نیز تعمیم داد. این امر می‌تواند شیوه‌ی تغذیه‌ی باتری لپتاپ‌ها و گوشی‌های هوشمند را به کلی تغییر داده و حتی منجر به قرار گرفتن مستقیم باتری‌ها در تراشه‌‌های سیلیکونی شود.

این مقاله در مجله‌ی مواد انرژی پیشرفته (Advanced Energy Materials) منتشر شده است.