چگونه می‌توان باتری‌هایی با قابلیت شارژ سریع تولید کرد؟

درحال‌حاضر، خودروهای برقی براساس مجموعه‌ی محدودی از باتری‌ها عمل می‌کنند؛ زیرا شارژ خودروها حتی در شرایط ایدئال به‌اندازه‌ی سوخت‌گیری بنزینی سریع نیست. تاکنون، بیشتر تلاش‌ها متمرکز بر افزایش ظرفیت باتری‌ها بودند؛ اما چگونه می‌توان نوعی باتری ساخت که به‌ سرعت و ‌سادگی پرکردن مخزن بنزین شارژ شود؟

ایده‌های زیادی درباره‌ی تولید باتری با شارژ سریع وجود دارد؛ اما مقاله‌ای که به‌تازگی در مجله‌ی Science چاپ شد، روشی عجیبی را پیشنهاد می‌دهد: استفاده از ماده‌ای به‌نام فسفر سیاه که صفحاتی با ضخامت اتمی را همراه ‌با کانال‌های لیتیمی تشکیل می‌دهد. فسفر سیاه به‌خودی‌خود ماده‌ی مناسبی برای ساخت باتری نیست؛ اما طبق محاسبات گروهی از پژوهشگران آمریکایی و چینی، می‌توان این ماده را بهینه‌سازی کرد. طبق این پژوهش، حتی اگر نتوان از فسفر سیاه به‌عنوان ماده‌ای برای تولید باتری استفاده کرد، می‌توان به دیدگاه‌هایی درباره‌ی منطق و فرایند توسعه‌ی باتری‌ها دست یافت.

حال این سؤال مطرح می‌شود: فسفر سیاه دقیقا چیست؟ ساده‌ترین روش برای درک این ماده مقایسه‌ی آن با گرافیت است؛ ماده‌ای که در الکترود باتری‌های لیتیوم‌یونی به‌کار می‌رود. گرافیت شکلی از کربن است که به‌شکل مجموعه‌ی بزرگی از صفحات گرافنی روی یکدیگر قرار گرفته‌اند. گرافن هم خود صفحه‌ای شامل مولکول‌های عظیم با پیوند اتم‌های کربن است که در الگویی شش‌ضلعی کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. به‌همین‌ترتیب، فسفر سیاه هم ترکیبی از تعداد زیادی از صفحات به‌نام فسفرین است.

بااین‌همه، تفاوت‌های مهمی بین مواد یادشده وجود دارد. در درجه‌ی اول، اتم فسفر بزرگ‌تر از کربن است و الکترون‌های بیشتری دارد؛ درنتیجه، می‌تواند با تعداد بیشتری از اتم‌های لیتیوم واکنش دهد. این واکنش‌پذیری یکی از ویژگی‌های اصلی الکترودهای باتری است. تفاوت مهم دیگر پیوند بین اتم‌های کربن است که باعث می‌شود گرافن نسبتا مسطح باشد و ضخامتش به بیش از یک اتم کربن نرسد. صفحات فسفرین معمولا کاملا مسطح نیستند و اتم‌های مجاور هم به‌صورت زاویه‌دار به یکدیگر وصل می‌شوند و باعث ایجاد کانال‌ها و شیارهایی روی صفحات فسفرین می‌شوند.

ویژگی‌های یادشده توجه پژوهشگران را به‌خود جلب کردند. زاویه‌ی بین اتم‌های فسفر باعث ایجاد انشعابی می‌شوند که یون‌های لیتیومی را به‌سرعت به داخل و بیرون ماده هدایت می‌کنند. ازآنجاکه هر اتم فسفر می‌تواند با چند یون لیتیوم واکنش دهد، از‌نظر تئوری ظرفیت الکترود دو ماده فراوان است. علاوه‌بر‌این، فسفر سیاه الکتریسیته را به‌خوبی منتقل می‌کند که ویژگی مهمی برای الکترود باتری است.

باتوجه‌به مزایای ذکرشده، چرا از فسفر سیاه نباید استفاده کرد؟ زیرا در عمل نتیجه‌بخش نیست. فسفر سیاه نیز مانند دیگر مواد الکترودی، بر‌اثر برخورد با یون‌های لیتیومی گسترش می‌یابد و می‌تواند خطر خرابی ساختاری را در طول چرخه‌های شارژ و تخلیه‌ی شارژ افزایش دهد. همچنین، پیوندهای شیمیایی در لبه‌های صفحات فسفری بین لایه‌های مختلف شکل می‌گیرند و باعث عایق‌شدن برخی از کانال‌ها می‌شوند. برای عملکرد صحیح مواد باتری، باید این مشکلات را برطرف کرد.

پژوهشگران برای حل مشکل پیوندهای شیمیایی در لبه‌ی صفحات فسفرین، فسفر سیاه را با گرافیت ترکیب کردند تا اتم‌های لبه‌ی صفحه‌ی فسفرینی با اتم‌های کربن پیوند برقرار کنند. با اینکه گرافیت به‌اندازه‌ی کربن واسطه‌ی ذخیره‌سازی مناسبی نیست، در باتری‌ها عملکرد مناسبی دارد. با محدود‌کردن مقدار گرافیت مصرفی به ۱۵ درصد از کل ماده، می‌توان مطمئن شد که فسفر سیاه بخش زیادی از حافظه‌ی لیتیومی را کنترل می‌کند.

پژوهشگران برای نتیجه‌بخش‌بودن فسفر سیاه با الکترولیت جامد، آن را با لایه‌ای نازک از ژل پلیمری پوشاندند. بدین‌ترتیب، حتی اگر الکترود به‌دلیل جریان انبوه یون‌های لیتیومی به اطراف حرکت کند، می‌تواند با الکترولیت جامد واکنش دهد. آن‌ها با بررسی ماده پس از چرخه‌ی شارژ و تخلیه‌ی شارژ باتری متوجه شدند در این فرایند، مواد شیمیایی حاصل از تجزیه‌ی مواد دیگر باتری جدا می‌شوند و دوام باتری افزایش پیدا می‌کند. در‌نهایت، ظرفیت الکترود همراه ‌با پوشش پلیمری پس از ۲،۰۰۰ چرخه، ۱۰ برابر بیشتر از همان ماده‌ی بدون پوشش پلیمری بود.

پرسش اصلی این است: آیا ماده‌ی به‌دست‌آمده امکان شارژ سریع را می‌دهد؟ تراکم ذخیره‌سازی در باتری‌های لیتیومی کنونی به ۵۰۰ میلی‌آمپر‌ساعت بر گرم می‌رسد؛ اما سرعت شارژ آن‌ها آهسته است. برای شارژ باتری که بتواند با پر‌کردن مخزن گاز رقابت کند، به ماده‌ای نیاز است که بتواند به سطح ذخیره‌سازی مشابهی با سرعت شارژ بیش از پنج آمپرثانیه بر گرم برسد.

ماده‌ی جدید پس از شارژ با سرعتی مشابه باتری‌های لیتیوم‌یونی معمولی به ظرفیتی برابر با سه برابر باتری‌های موجود رسید. سپس با سرعتی بیشتر شارژ شد و تراکم آن بازهم به ۸۰۰ میلی‌آمپرساعت بر گرم رسید و از باتری‌های لیتیومی سبقت گرفت. همچنین، می‌توان بدون کاهش چشمگیر ظرفیت، سرعت شارژ را دوبرابر کرد. این اعداد پس از ۲،۰۰۰ چرخه‌ی شارژ و تخلیه‌ی شارژ به‌دست آمدند؛ درنتیجه، می‌توان گفت باتری جدید بادوام است.

آنچه گفته شد، صرفا عملکرد یک الکترود را نشان می‌دهد، نه کل باتری. دلایل زیادی مثل سهولت تولید تا یکپارچه‌سازی ضعیف با دیگر قطعات را می‌توان برای راه‌نیافتن این فناوری به بازار برشمرد؛ اما شناسایی مواد سودمند گامی مفید برای تولید باتری‌هایی با قابلیت شارژ سریع است.