توسعه باتری‌ای جدید توسط محققان دانشکده علوم و مهندسی کاربردی John A.Paulson هاروارد.
محققان دانشکده علوم و مهندسی کاربردی John A.Paulson هاروارد باتری لیتیوم جدیدی ساخته‌اند که در چند دقیقه به‌طور کامل شارژ می‌شود و تا چند هزار چرخه شارژ نیز دوام می‌آورد. نکته قابل توجه در مورد فناوری جدید این باتری نیز قابلیت شارژ مجدد آن در چند دقیقه است و حداقل تا 6 هزار بار بیشتر از سایر باتری‌های لیتیومی قابلیت شارژ و دشارژ را داراست.
این تحقیق نه تنها روش جدیدی را برای ساخت باتری‌های حالت جامد با آند فلزی لیتیوم توصیف می‌کند، بلکه درک جدیدی از مواد مورد استفاده برای این باتری‌های بالقوه انقلابی را نیز ارائه می‌دهد.
این تحقیق در سایت Nature Materials نیز ارائه شده است.
شین لی، دانشیار علوم مواد در دانشگاه هاروارد و نویسنده ارشد این مقاله می‌گوید: باتری‌های آند فلزی لیتیوم جام مقدس باتری‌ها در نظر گرفته می‌شوند، زیرا ظرفیت آنها 10 برابر آندهای گرافیتی تجاری محسوب شده و می‌توانند مسافت رانندگی خودروهای الکتریکی را به شدت افزایش دهند.
پروفسور شین لی:
“تحقیق ما گام مهمی به سوی باتری های حالت جامد کاربردی‌تر برای کاربردهای صنعتی و تجاری است.”
یکی از بزرگ‌ترین چالش‌هایی که در طراحی این مدل از باتری‌ها وجود دارد، تشکیل ماده‌ای به اسم دندریت (Dendrites) در سطح آند است. این ساختارها مانند ریشه در الکترولیت رشد می‌کنند و مانع جداکننده آند و کاتد را سوراخ می‌کنند که باعث کوتاه شدن عمر باتری و یا حتی آتش گرفتن آن می‌شوند.
این دندریت‌ها زمانی تشکیل می شوند که یون‌های لیتیوم در حین شارژ شدن از کاتد به آند حرکت می‌کنند و در فرآیندی به نام آب‌کاری به سطح آند متصل می‌شوند. آب‌کاری روی آند یک سطح ناهمگون و غیر همگن مانند پلاک روی دندان ایجاد می‌کند و به دندریت ها اجازه می‌دهد تا بر روی آند ریشه بدهند. هنگامی که بار الکتریکی آند تخلیه می‌شود، این پوشش پلاک مانند باید از آند جدا شود و زمانی که آب‌کاری ناهموار است، روند جدا شدن دندریت‌ها می‌تواند آهسته باشد و منجر به ایجاد چاله‌هایی شود که در شارژهای بعدی ناهمواری بیشتری را بر روی سطح آند ایجاد می‌کند.
در سال 2021،دکتر شین لی و تیمش با طراحی یک باتری چندلایه که مواد مختلف را با پایداری‌های متفاوت بین آند و کاتد قرار می‌داد، راهی برای مقابله با دندریت‌ها ارائه کردند. این طراحی چندلایه و چند ماده‌ای از نفوذ دندریت‌های لیتیوم نه با متوقف کردن کامل آنها، بلکه با کنترل و مهار آنها جلوگیری می‌کرد.
در این تحقیق جدید، لی و تیمش با استفاده از ذرات سیلیکون به اندازه میکرون، در آند تشکیل دندریت‌ها را متوقف می‌کنند تا واکنش لیتیاسیون را منقبض کنند و آب‌کاری همگن لایه ضخیم فلز لیتیوم را تسهیل کنند.
در این طرح، زمانی که یون‌های لیتیوم در حین شارژ از کاتد به آند حرکت می‌کنند، واکنش لیتیاسیون در سطح کم‌عمق منقبض شده و باعث می‌شود و یون‌ها به سطح ذره سیلیکون متصل شوند اما بیشتر نفوذ نمی‌کنند. این روش به طور قابل توجهی متفاوت از مدل شیمی باتری‌های لیتیوم یون مایع است که در آن یون‌های لیتیوم از طریق واکنش لیتیاسیون عمیق به آند نفوذ می‌کنند و در نهایت ذرات سیلیکون آند را از بین می‌برند.
اما، در یک باتری حالت جامد، یون‌های روی سطح سیلیکون منقبض می‌شوند و تحت فرآیند دینامیکی لیتیاسیون قرار می‌گیرند تا پوشش فلزی لیتیومی را در اطراف هسته سیلیکون تشکیل دهند.
پروفسور شین لی:
“در طراحی ما، فلز لیتیوم در اطراف ذرات سیلیکون پیچیده می‌شود، مانندشکلاتی که در درون خود هسته‌ای فندقی دارد.”
این ذرات پوشش داده شده یک سطح همگن ایجاد می‌کنند که در آن چگالی جریان به طور مساوی توزیع می‌شود و از رشد دندریت‌ها جلوگیری می‌کند. و از آنجایی که آب‌کاری و جداسازی می‌تواند به سرعت روی یک سطح یک‌نواخت اتفاق بیفتد، باتری می‌تواند تنها در حدود 10 دقیقه شارژ شود.
محققان باتری جدید خود را با استفاده از نسخه‌ای به‌اندازه‌ی تمبر پستی به‌نمایش گذاشتند که توانست 80 درصد ظرفیت خود را پس از 6٬000 چرخه‌ی شارژ حفظ کند؛ ویژگی جذابی که نسبت به سایر باتری‌های حالت-جامد موجود در بازار بهتر بود.
پرفسور لی و تیم او از زمان ابداع باتری جدید، مجوز فناوری مذکور را با هدف تجاری‌سازی ازطریق شرکت زیرمجموعه‌ی هاروارد به‌نام Adden Energy صادر کرده‌اند.
