باتری سدیمی جدید در ۴ دقیقه شارژ می‌شود

محققان موفق به توسعه یک الکترولیت شبه‌جامد جدید برای باتری‌های فلز سدیم شده‌اند که می‌تواند مسیر توسعه نسل جدیدی از باتری‌های ارزان‌تر، ایمن‌تر و با قابلیت شارژ فوق‌سریع را هموار کند. این فناوری علاوه بر افزایش چشمگیر سرعت شارژ، طول عمر بالایی را نیز به نمایش گذاشته و توانسته پس از ۲ هزار چرخه شارژ و دشارژ، همچنان ۹۰ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کند.

به گزارش interestingengineering، این دستاورد توسط پژوهشگران دانشگاه جنوب‌شرقی چین با همکاری شرکت HiNa Battery Technology و دانشگاه یانگژو توسعه یافته است. محققان در این پروژه یک الکترولیت شبه‌جامد با طراحی دو میانجی (Dual-Mediator Electrolyte) ساخته‌اند که دو چالش اساسی باتری‌های فلز سدیم را برطرف می‌کند؛ نخست، کندی انتقال یون‌های سدیم و دوم، ناپایداری سطح مشترک الکترود‌ها که می‌تواند به تشکیل دندریت‌ها و در نهایت خرابی باتری منجر شود.

جایگزینی ارزان‌تر برای باتری‌های لیتیومی

در سال‌های اخیر باتری‌های مبتنی بر سدیم به دلیل فراوانی این عنصر در طبیعت و هزینه پایین‌تر نسبت به لیتیوم توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. همچنین زنجیره تامین سدیم در مقایسه با لیتیوم با محدودیت‌های کمتری روبه‌رو است و از نظر اقتصادی گزینه‌ای جذاب برای تولید انبوه محسوب می‌شود.

با این حال یکی از موانع اصلی توسعه این فناوری دشواری دستیابی به شارژ سریع بدون کاهش عمر باتری بوده است. اکنون پژوهشگران چینی اعلام کرده‌اند که الکترولیت جدید آنها می‌تواند این محدودیت را تا حد زیادی برطرف کند.

انتقال سریع‌تر یون‌های سدیم

بر اساس نتایج این تحقیق الکترولیت جدید به عدد انتقال یون سدیم (Sodium-Ion Transference Number) معادل ۰.۹۴ دست یافته است؛ در حالی که این شاخص در اغلب الکترولیت‌های شبه‌جامد متداول بین ۰.۴ تا ۰.۷ قرار دارد. افزایش این شاخص به معنای حرکت مؤثرتر یون‌های سدیم در داخل باتری و در نتیجه بهبود عملکرد شارژ سریع است.

علاوه بر این رسانایی یونی الکترولیت نیز به ۱.۳ میلی‌زیمنس بر سانتی‌متر رسیده که نشان‌دهنده توانایی بالای آن در انتقال بار الکتریکی است.

نقش یون‌های قلع و DFOB در عملکرد باتری

پژوهشگران برای ساخت این الکترولیت از ترکیب یون‌های قلع دوظرفیتی (Sn²⁺) و یون‌های دی‌فلورو اگزالاتو بورات (DFOB⁻) استفاده کرده‌اند. این دو جزء به صورت هم‌زمان ساختار الکترولیت و نحوه جابه‌جایی یون‌های سدیم را کنترل می‌کنند.

بر اساس توضیحات تیم تحقیقاتی یون‌های DFOB⁻ باعث تضعیف پیوند میان یون‌های سدیم و شبکه پلیمری الکترولیت می‌شوند و در نتیجه تعداد بیشتری از یون‌های سدیم آزادانه در محیط حرکت می‌کنند.

شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نشان داده‌اند که نرخ انتشار یون‌های سدیم در این سامانه به ۱۶.۸ آنگستروم مربع بر نانوثانیه می‌رسد؛ رقمی که تقریبا شش برابر سریع‌تر از الکترولیت‌های مایع متداول است.

تشکیل لایه‌های محافظ در دو سوی باتری

یکی از ویژگی‌های مهم این فناوری ایجاد لایه‌های محافظ خودکار روی هر دو الکترود باتری است.

در آند فلز سدیم یون‌های قلع یک لایه غنی از آلیاژ سدیم-قلع ایجاد می‌کنند که موجب رسوب یکنواخت سدیم و جلوگیری از تجمع ناهمگون آن می‌شود.

در سمت کاتد نیز یون‌های DFOB⁻ لایه‌ای نازک، پایدار و مقاوم از نظر مکانیکی تشکیل می‌دهند که از تخریب تدریجی الکترولیت جلوگیری می‌کند.

به گفته پژوهشگران این طراحی دوگانه باعث ایجاد تعادل در هماهنگی یونی در داخل الکترولیت و سطح مشترک الکترود‌ها می‌شود و انتقال یکنواخت یون‌ها را حتی در جریان‌های بالا تضمین می‌کند.

مقابله با دندریت‌ها عامل اصلی خرابی باتری

دندریت‌ها ساختار‌های فلزی سوزنی‌شکلی هستند که هنگام شارژ و دشارژ در برخی باتری‌ها تشکیل می‌شوند و می‌توانند باعث اتصال کوتاه کاهش ایمنی و افت عمر باتری شوند.

لایه‌های محافظ ایجادشده توسط الکترولیت جدید به گونه‌ای طراحی شده‌اند که رشد این ساختار‌ها را مهار کنند و از تشکیل آنها جلوگیری شود. همین ویژگی یکی از عوامل اصلی افزایش طول عمر باتری‌های آزمایش‌شده محسوب می‌شود.

پایداری ۶ هزار ساعته و شارژ کامل در حدود ۴ دقیقه

نتایج آزمایش‌های انجام‌شده عملکرد قابل‌توجه این سامانه را نشان می‌دهد.

سلول‌های متقارن سدیم توانستند به مدت ۶ هزار ساعت در چگالی جریان ۰.۱ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع بدون هیچ‌گونه خرابی ناشی از دندریت فعالیت کنند. همچنین این سامانه به چگالی جریان بحرانی ۳ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع دست یافت.

در آزمایش‌های دیگر هنگامی که این الکترولیت با کاتد‌های فسفات وانادیوم سدیم ترکیب شد باتری توانست حتی در شرایط شارژ فوق‌سریع، ظرفیت ۸۰.۱ میلی‌آمپرساعت بر گرم را حفظ کند.

این نرخ شارژ به گونه‌ای است که باتری می‌تواند در حدود چهار دقیقه به‌طور کامل شارژ شود؛ قابلیتی که یکی از مهم‌ترین اهداف صنعت ذخیره‌سازی انرژی به شمار می‌رود.

علاوه بر این باتری‌ها پس از ۲ هزار چرخه شارژ و دشارژ با نرخ بالای ۳ C همچنان ۹۰ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کردند که نشان‌دهنده دوام بسیار بالای سامانه است.

سازگاری با ولتاژ‌های بالاتر و آزمایش در شرایط واقعی

پژوهشگران اعلام کردند که این الکترولیت تا ولتاژ ۴.۷ ولت پایدار باقی می‌ماند. این ویژگی می‌تواند امکان استفاده از مواد کاتدی با ولتاژ بالاتر را فراهم کرده و چگالی انرژی باتری‌های آینده را افزایش دهد.

تیم تحقیقاتی همچنین آزمایش‌های خود را از سطح سلول‌های سکه‌ای فراتر برده و نمونه‌های پاکتی (Pouch Cells) را نیز مورد ارزیابی قرار داده است. این باتری‌ها بدون نیاز به اعمال فشار خارجی حتی پس از خم شدن‌های مکرر نیز به عملکرد خود ادامه دادند و توانستند انرژی مورد نیاز یک تلفن هوشمند را تامین کنند.

آزمایش روی پیکربندی‌های دارای بارگذاری بالا و همچنین شیمی‌های مختلف کاتدی نیز نتایج امیدوارکننده‌ای به همراه داشته است.

امکان توسعه فناوری برای باتری‌های لیتیوم و پتاسیم

محققان معتقدند راهبرد ارائه‌شده در این پژوهش تنها محدود به باتری‌های سدیمی نیست و می‌تواند برای توسعه باتری‌های فلز لیتیوم و فلز پتاسیم نیز مورد استفاده قرار گیرد.

همچنین این فناوری با فرآیند‌های رایج تولید باتری سازگار است و می‌تواند بدون نیاز به تغییرات گسترده در خطوط تولید فعلی به سمت تجاری‌سازی حرکت کند؛ موضوعی که اهمیت آن را برای صنعت ذخیره‌سازی انرژی دوچندان می‌کند.