دو غول صنعتی ژاپن، تویوتا موتور و Sumitomo Metal Mining، همکاری تازه‌ای را برای توسعه و تولید انبوه مواد کاتد مورد استفاده در باتری‌های تمام‌جامد (All-Solid-State Batteries) آغاز کرده‌اند؛ باتری‌هایی که قرار است نسل بعدی خودروهای برقی را متحول کنند.
باتری‌های تمام‌جامد به‌جای الکترولیت مایع، از الکترولیت جامد استفاده می‌کنند. این تغییر باعث می‌شود باتری‌ها سبک‌تر، بادوام‌تر و ایمن‌تر باشند و در عین حال زمان شارژ کوتاه‌تر و برد حرکتی طولانی‌تری ارائه دهند. تویوتا قصد دارد نخستین خودروهای مجهز به این فناوری را تا سال‌های ۲۰۲۷ یا ۲۰۲۸ وارد بازار کند.
از سال ۲۰۲۱، دو شرکت پژوهش‌های مشترکی در زمینه‌ی بهبود مواد کاتد این باتری‌ها انجام داده‌اند. یکی از چالش‌های اصلی، کاهش تخریب مواد در طول چرخه‌های متعدد شارژ و تخلیه بوده است. اکنون با استفاده از فناوری اختصاصی سنتز پودر شرکت Sumitomo، نوعی ماده‌ی کاتد فوق‌بادوام توسعه یافته که می‌تواند عملکرد باتری را به شکل چشمگیری بهبود دهد. شرکت Sumitomo که بیش از دو دهه تجربه در تولید مواد کاتد برای خودروهای الکتریکی دارد، در حال آماده‌سازی زیرساخت‌های لازم برای تولید انبوه این ماده‌ی جدید است.
مواد کاتدی مناسب باتری حالت جامد چه ویژگی هایی دارند؟
در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یونی متداول که از الکترولیت مایع استفاده می‌کنند، کاتدهای مورد استفاده در باتری‌های تمام‌جامد باید ویژگی‌های متفاوت و دقیق‌تری داشته باشند تا بتوانند با محیط الکترولیت جامد سازگار شوند. در این نوع باتری‌ها، تماس مستقیم و پایدار بین کاتد و الکترولیت جامد از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا برخلاف الکترولیت‌های مایع که به‌راحتی سطح کاتد را خیس کرده و رسانایی یونی را حفظ می‌کنند، الکترولیت‌های جامد تمایل کمتری به ایجاد تماس کامل دارند و هرگونه شکاف یا ترک در سطح تماس می‌تواند مقاومت داخلی را افزایش دهد. بنابراین، مواد کاتدی باید از نظر مکانیکی پایدار باشند و در برابر تغییر حجم ناشی از چرخه‌های شارژ و دشارژ مقاومت کنند.
از نظر شیمیایی نیز لازم است کاتد با الکترولیت جامد سازگار بوده و واکنش‌های ناخواسته‌ای که منجر به تخریب سطح یا تشکیل لایه‌های غیرفعال می‌شود، رخ ندهد. این پایداری شیمیایی به‌ویژه در ولتاژهای بالا اهمیت دارد، زیرا بسیاری از الکترولیت‌های جامد برای دستیابی به چگالی انرژی بیشتر در محدوده‌های ولتاژی بالاتر به کار گرفته می‌شوند. علاوه بر این، رسانایی یونی در مواد جامد به‌طور طبیعی کمتر از مایعات است، ازاین‌رو ساختار کاتد باید طوری طراحی شود که مسیرهای مناسبی برای حرکت یون‌های لیتیوم فراهم کند. این امر معمولاً از طریق ترکیب مواد فعال با ذرات الکترولیت جامد و افزودنی‌های رسانا درون یک ساختار مرکب حاصل می‌شود.
از منظر صنعتی نیز ماده کاتدی مناسب برای باتری‌های حالت جامد باید با فرآیندهای تولید انبوه سازگار بوده، قابلیت فشرده‌سازی در دما و فشار بالا را داشته و از نظر ایمنی حرارتی پایدار باشد تا خطر واکنش‌های حرارتی یا آتش‌سوزی به حداقل برسد. در مجموع، طراحی کاتد در باتری‌های تمام‌جامد مستلزم تعادل میان پایداری شیمیایی، مکانیکی و الکتروشیمیایی است؛ تعادلی که در نهایت کلید دستیابی به عملکرد بالا، ایمنی بیشتر و عمر طولانی‌تر در نسل آینده‌ی باتری‌ها خواهد بود.
برای ارجاع به منبع، کلیک نمایید.
