باتری‌های شکست‌ناپذیر در راه‌اند! فناوری زره انعطاف‌پذیر، آینده خودرو‌های برقی را متحول می‌کند

به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، سال‌هاست که مهندسان و خودروسازان به باتری‌های حالت جامد به عنوان کلید دستیابی به خودرو‌های برقی ایمن‌تر، قدرتمندتر و بادوام‌تر نگاه می‌کنند. برخلاف سلول‌های لیتیوم-یونی مرسوم، این باتری‌ها به جای مایعات قابل اشتعال از الکترولیت‌های جامد استفاده می‌کنند و خطر گرمای بیش از حد یا آتش‌سوزی را کاهش می‌دهند.

با این حال، علیرغم وعده‌های داده شده، این باتری‌ها به دلیل تمایل به ترک خوردن و تخریب در هنگام شارژ سریع یا سرمای شدید، برای رسیدن به تولید انبوه با مشکل مواجه بوده‌اند.

اکنون، محققان دانشکده تحصیلات تکمیلی بین‌المللی شنژن دانشگاه تسینگهوا و دانشگاه تیانجین یک لایه «زره انعطاف‌پذیر» توسعه داده‌اند که سطح باتری را تقویت می‌کند و به آن کمک می‌کند تا فشار را تحمل کند و حتی در شرایط انجماد عملکرد خود را حفظ کند.

پوشش جدید مبتنی بر نقره، دوام باتری‌های حالت جامد را افزایش می‌دهد

پروفسور فیو کانگ و یانبینگ هی از دانشکده تحصیلات تکمیلی بین‌المللی شنژن دانشگاه تسینگهوا، به همراه پروفسور کوانهونگ یانگ از دانشگاه تیانجین، رویکردی نامتعارف برای بهبود باتری‌های حالت جامد اتخاذ کرده‌اند - با انعطاف‌پذیرتر کردن آنها به جای سخت‌تر کردن.

یکی از نقاط ضعف کلیدی این باتری‌ها در لایه میانی الکترولیت جامد (SEI) نهفته است، یک لایه محافظ که معمولاً سخت، اما شکننده است و مستعد ترک خوردن تحت فشار است. پس از شکستن، باعث تجمع ناهموار لیتیوم می‌شود که منجر به تخریب سریع‌تر و کاهش عمر باتری می‌شود.

محققان با استفاده از مواد نقره‌ای Ag₂S و AgF، یک لایه SEI انعطاف‌پذیر ایجاد کردند که می‌تواند بدون شکستن، کمی خم شود و ساختار پایداری را حفظ کند و در عین حال به یون‌های لیتیوم اجازه حرکت روان را بدهد. در طول آزمایش‌های آزمایشگاهی، باتری‌های حالت جامد بازطراحی‌شده این تیم، استقامت و پایداری قابل توجهی را نشان دادند که بسیار فراتر از طرح‌های مرسوم است.

وقتی این باتری‌ها به پوشش انعطاف‌پذیر جدید مجهز شدند، بیش از ۴۵۰۰ ساعت تحت شرایط پرفشار به طور مداوم کار کردند - سطحی از دوام که توانایی پوشش را در مقاومت در برابر ترک خوردگی و تخریب در طول زمان نشان می‌دهد. حتی چشمگیرتر اینکه، آنها عملکرد پایدار خود را برای بیش از ۷۰۰۰ ساعت در دمای ۳۰- درجه سانتیگراد حفظ کردند، دمایی که معمولاً اکثر سلول‌های حالت جامد را فلج یا از بین می‌برد.

تقلید از طبیعت برای تقویت باتری‌های حالت جامد

محققان با مهندسی یک ساختار تدریجی و لایه‌ای که مواد نرم و سفت را با هم ترکیب می‌کند، به این موفقیت دست یافتند - طرحی که از چگونگی ایجاد تعادل بین انعطاف‌پذیری و استحکام در سیستم‌های بیولوژیکی مانند پوسته‌ها یا تاندون‌ها در طبیعت الهام گرفته شده است.

این معماری هیبریدی به توزیع یکنواخت‌تر فشار مکانیکی در سراسر باتری کمک می‌کند و از ترک خوردن و شکست ساختاری جلوگیری می‌کند و در عین حال یون‌های لیتیوم را در طول شارژ و دشارژ به طور یکنواخت پخش نگه می‌دارد. نتیجه، یک باتری حالت جامد پایدارتر و بادوام‌تر است که می‌تواند شرایط سخت را بدون از دست دادن کارایی تحمل کند.

با این حال، دانشمندان تأکید می‌کنند که این نوآوری، بلیط فوری برای تولید انبوه نیست. تولید باتری‌های حالت جامد در مقیاس بزرگ همچنان یک چالش پیچیده است و نیاز به پیشرفت‌های بیشتر در پردازش مواد، کاهش هزینه و ادغام با سیستم‌های باتری موجود دارد.

با این وجود، این مطالعه گامی امیدوارکننده در جهت قابل اعتمادتر و کاربردی‌تر کردن باتری‌های حالت جامد برای استفاده در دنیای واقعی، از خودرو‌های برقی گرفته تا ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر، به ویژه در محیط‌های دشوار، محسوب می‌شود.