احیای باتری های لیتیومی با زنده کرد لیتیوم مرده! (30% طول عمر بیشتر باتری)

جزایری از لیتیوم غیر فعال مانند کرم هایی به سوی الکترودهایشان میخزند و ظرفیت و طول عمر باتری را بازیابی می کنند! دکتر جنیفر هابر

محققان دپارتمان انرژی آزمایشگاه ملی SLAC و دانشگاه استنفورد آمریکا موفق به یافتن روشی برای احیای باتری های لیتیومی قابل شارژ شدند که می تواند منجر به افزایش مسافت پیموده شده خودروهای الکتریکی و نیز افزایش عمر باتری در نسل های بعدی وسایل الکترونیکی شود. نتایج این تحقیق اخیرا در مجله نیچر به چاپ رسیده است. 

در طول فرایندهای شارژ-دشارژ در باتری های لیتیومی، جزایر کوچک لیتیم های غیر فعال (لیتیوم های غیر فعال در واکنش های باتری شرکت نمی کنند و موجب کاهش عملکرد باتری در ذخیره انرژی می شوند) بر روی یکدیگر انباشته می شوند. محققان این تیم تحقیقاتی کشف کردند که میتوان لیتیوم های غیر فعال را مانند کرمی به سوی یکی از الکترودها واداشت تا دوباره به آن الکترود بچسبند. در واقع این باعث برگشت پذیری واکنش های ناخواسته ای میشود که موجب کاهش عملکرد باتری ها می شوند. در واقع افزودن مرحله اضافی دشارژ سریع می تواند فرایندهای تخریبی در باتری را کاهش داده و عمر چرخه ای آن را 30 درصد افزایش دهد. 

وقتی جزیره ای از فلز لیتیم غیر فعال به سوی آند (الکترود منفی) باتری حرکت کرده و دوباره با آن در تماس میگیرد، این جزیره لیتیم به زندگی برمیگردد (فعال می شود) و در جریان الکترونی و ذخیره بار توسط یون های لیتیوم شرکت می کند. این جزیره با اضافه شدن فلز لیتیم در یک طرف (آبی) و حل شدن در طرف دیگر (قرمز) حرکت می کند. محققان آزمایشگاه SLAC و دانشگاه استنفور کشف کردند که می توانند با اضافه کردن یک مرحله دشارژ کوتاه و با جریان بالا بلافاصله پس از شارژ باتری رشد جزیره لیتیوم غیرفعال را به طرف آند باتری به حرکت در آورند. این اتصال دوباره جزیره لیتیومی به الکترود آند در سل باتری تحقیق حاضر توانست عمر چرخه ای سل را به میزان 30 درصد افزایش دهد.

در حال حاضر ما موفق به کشف این مهم شده ایم که پتانسیل این وجود دارد که با این روش ظرفیت از دست رفته باتری های لیتیومی را می توان با استفاده از یک مرحله اضافی دشارژ سریع بازیابی کرد. دکتر فنگ لیو (محقق پسا دکتری در دانشگاه استنفورد و یکی از پژوهشگران اصلی این تحقیق)

امروزه، تلاش های بسیار زیادی برای یافتن راهکارهایی برای ساخت باتری های قابل شارژ سبکتر، طول عمر بالاتر، ایمنی بیشتر و سرعت شارژ پذیری بالاتر وجود دارد که بتوان از این باتری ها در تلفن های هوشمند، لپتاپ ها و خودروهای الکتریکی استفاده کرد. در این راستا، یکی از انواع باتری ها، باتری های لیتیوم-فلز هستند که از فلز لیتیومی به عنوان آند استفاده می شود (در حال حاضر در باتری های لیتیومی موجود عمدتا از گرافیت به عنوان آند استفاده می شود). باتری های لیتیوم-فلز به این جهت به عنوان نسل جدیدی از باتری های لیتیومی مورد توجه قرار گرفته اند که می توانند انرژی بسیار بیشتری را در واحد حجم و یا جرم در اختیار قرار دهند. برای مثال، استفاده از این باتری ها در خودروهای الکتریکی می تواند موجب افزایش طول مسافت طی شده در یک بار شارژ در خودرها شود و حجم بسیار کمتری را در داخل خودرو اشغال کنند. در هر دو نوع از باتری های لیتیوم-یون و لیتیوم-فلز، یون های لیتیوم در طول فرآیندهای شارژ-دشارژ بین الکترودهای مثبت و منفی در حال حرکت هستند. در طول زمان، برخی از لیتوم های فلزی از نظر الکتروشیمیایی غیر فعال شده و جزایر ایزوله شده ای را تشکیل می دهند که با الکترودها تماسی ندارند. این باعث از دست رفتن ظرفیت می شود که یکی از مشکلات اساسی برای فناوری باتری های لیتیوم-فلز و باتری های لیتیوم-یون با شارژ سریع محسوب می شود. با این وجود، در تحقیق جدید حاضر، محققان نشان دادند که می توانند این جزایر لیتیومی غیر فعال را به حرکت درآورده و بازیابی کنند که منجر به افزایش طول عمر باتری می شود. 

من همیشه به لیتیوم ایزوله شده به عنوان یک مشکل فکر میکردم، زیرا این باعث تخریب باتری و حتی آتش گرفتن آن می شود. اما ما کشف کرده ایم که چگونه به صورت الکتریکی این لیتیوم «مرده» را دوباره به آند باتری اتصال داده و آن را فعال کنیم. پروفوسور یی کیو (استاد دانشگاه استنفورد و سرپرست تحقیق حاضر)

ایده این تحقیق زمانی به وجود امد که پروفوسور یی کیو به این موضوع فکر کرد که ممکن است اعمال یک ولتاژ به آند و کاتد باتری میتواند جزیره های ایزوله شده لیتیومی را به صورت فیزیکی بین الکترودها به حرکت درآورد. حالا، این فرایند توسط تیم تحقیقاتی ایشان طی آزمایشگاتشان به اثبات رسیده است. این تیم تحقیقاتی برای انجام مطالعات خود نوعی سل باتری شفاف ساختند که از ماده کاتدی اکسید لیتیوم نیکل منگنز کبالت (NCM)، ماده آندی لیتیوم فلزی و جزیره ای از لیتیوم بین الکترودهای کاتدی و آندی تشکیل شده است. این سل باتری به محققان اجازه داد تا بتوانند به صورت واقعی اتفاقاتی را که در داخل باتری در طول فرایندهای شارژ-دشارژ رخ میدهند را رصد کنند. سل ساخته در شکل زیر قابل مشاهده است. آنها دریافتند که جزیره لیتیوم ایزوله شده غیر فعال نبوده و به فرایند های شارژ و دشارژ واکنش نشان می دهد. هنگامی که باتری در حال شارژ شدن است، این جزیره به آرامی به سمت کاتد حرکت می کند و در حین دشارژ باتری، به سمت مخالف (آند) می خزد.

 

این شبیه یک کرم بسیار آرام سرش را به سمت جلو و دمش را به عقب حل میدهد و به صورت نانومتری حرکت می کند. در این مورد، این جزیره لیتیومی با حل شدن در یک طرف و تهنشین شدن در طرف دیگر منتقل می شود. اگر ما بتوانیم این کرم لیتیومی را در حال حرکت حفظ کنیم در نهایت می تواند الکترود آند باتری را لمس کرده و اتصال الکتریکی را با آند ایجاد کند. پروفوسور یی کیو

نتایج دیگری که این محققان از طریق تست های دیگر و شبیه سازی های کامپیوتری بدست آورده اند هم نشان می دهند که چگونه می توان با بهبود پروتکل های شارژ باتری ها، این لیتیوم ایزوله شده می تواند در باتری واقعی بازیابی شود.

ما متوجه شدیم که می توانیم لیتیوم جدا شده را در طول فرایند دشارژ به سمت آند به حرکت درآوریم و این حرکت تحت جریان های بالا سریعتر خواهد بود. بنابراین، بلافاصله پس از فرایند شارژ، یک مرحله بسیار سریع و با جریان بالای دشارژ اضافه کردیم که این مرحله لیتیوم ایزوله شده را به اندازه کافی به حرکت درآورد تا بتواند به آند باتری متصل شود. این کار لیتیوم متصل شده را فعال می کند و در نتیجه می تواند در فرایند ذخیره انرژی باتری شرکت کند. یافته های ما در این مورد مفاهیم گسترده ای را برای طراحی و توسعه باتری های لیتیوم-فلز پیشرفته توسعه می دهد. دکتر فنگ لیو

 

منابع:

 Citation: Fang Liu et al., Nature, 22 December 2021 (10.1038/s41586-021-04168-w)

SLAC National laboratory