محققان دانشگاه کالیفرنیا با همکاری آزمایشگاه‌های ملی آمریکا توانستند ماده‌ی کاتدی بدون استفاده از کبالت بسازند. در این ماده، از روش آلایش پیچیده با انتروپی بالا (high-entropy doping) برای رفع مشکل ناپایداری‌های حرارتی و مکانو-شیمیایی کاتدهای لایه‌ای پایه نیکل استفاده شده است.
از عنصر کبالت برای پایدارسازی کاتد باتری‌های لیتیوم-یون استفاده می‌شود. تامین کبالت، یکی از بزرگ‌ترین معضلات زنجیره تامین مواد اولیه‌ی صنعت باتری است که گسترش کاربرد خودروها و کامیون‌های الکتریکی و سایر ادوات الکترونیکی را تهدید می‌کنند. فارغ از هزینه‌ی بالای استفاده از کبالت در باتری‌ها، مشکلاتی همچون استفاده از نیرو‌های کار کودک در جمهوری کنگو که بزرگ‌ترین تولیدکننده‌ی کبالت دنیاست نیز وجود دارد. همچنین در ولتاژ‌های بالا، وجود کبالت در کاتد منجر به تولید گاز اکسیژن و تخریب سلول باتری می‌شود. علیرغم ظرفیت بالاتر کاتدهای غنی از نیکل، تغییرات حجمی آن در حین شارژ و دشارژ نیز موجب سیکل‌پذیری ضعیف آن می‌شود. همچنین اکسید شدن اجزای باتری، اتلاف حرارتی که می‌توانند منجر به آتش گرفتن باتری شوند نیز از سایر آثار استفاده از نیکل در کاتدهای اکسیدی است.
محققان از طریق آلایش هم‌زمان کاتدهای LMNO با ترکیبی از فلزات واسطه نظیر منیزیم، تیتانیوم، منگنز، مولیبدن و نایوبیوم و همچنین تغییرات خواص سطحی آن موفق شدند تا تغییرات حجمی کاتد را در بازه‌ی گسترده‌ای از پنجره‌ی الکتروشیمیایی آن به صفر برسانند. بگونه‌ای که توانایی بیش از 100 مرتبه شارژ و دشارژ و مقاومت در دمای کاری بالا را دارد و پایداری آن با کاتد NCM-532 فوق-پایدار و حاوی کبالت، برابری می‌کند. به کمک تجهیزات مستقر در آزمایشگاه‌های ملی آمریکا، مانند پراش پرتوی ایکس سنکروتون، میکروسکوپ الکترونی عبوری و نانو توموگرافی سه بعدی، ثابت شده است که به دام افتادن فضاهای خالی اکسیژن (Oxygen Vacancy) در ساختار بر جلوگیری تجمع تنش و ایجاد ترک در ذرات کاتدی موثر واقع شده است.
این پژوهش تحت حمایت وزارت انرژی آمریکا و با همکاری محققانی از دانشگاه Illonois، آزمایشگاه ملی Argonne، آزمایشگاه ملی Pacific northwest و شتاب‌دهنده‌ی SLAC در کالیفرنیا انجام شده است و نتایج آن در مجله‌ی Nature به چاپ رسیده است.
برای مشاهده متن اصلی خبر روی اینجا کلیک کنید.
