در تحقیقاتی جدید محققان موفق به افزایش سطح ایمنی باتری‌های لیتیوم شدند.
به گزارش سایت ساینس دیلی دانشمندان دانشگاه اینچئون سئول (کره جنوبی) موفق به ساخت جداکننده‌ای مقاوم به حرارت با عمری طولانی شده‌اند.
اصلی‌ترین مشکل در توسعه باتری‌های لیتیومی:
یکی از مشکلات اصلی‌ای که باتری‌های لیتیومی با آن مواجه هستند، مقاومت پایین جداکننده‌های داخلی آنها است که باعث اتصال کوتاه بین آند و کاتد شده و در نهایت منجر به ایجاد حادثه می‌شود.
حال دانشمندان دانشگاه اینچئون موفق به دستیابی به روشی جدید برای ساخت جداکننده‌ها شده‌اند که با ترکیب دی‌اکسید سیلیکون و چندین مولکول کاربردی دیگر ایجاد می‌شود.
باتری‌هایی که از این مدل جداکننده استفاده می‌کنند کمتر دچار رشد دندریت‌ها می‌شوند.
آشنایی با دندریت‌ها:
برای آشنایی با دندریت‌ها به این مقاله مراجعه کنید.
کم شدن رشد دندریت‌ها راه را برای ساخت باتری مناسب وسایل نقلیه الکتریکی با امنیت بالا و همچنین سیستم‌های ذخیره انرژی پیشرفته با کیفیت بالا هموار می‌کند.
باتری‌های لیتیوم یون دسته‌ای از باتری‌های قابل شارژ در دنیای امروزی هستند که به‌طور گسترده‌ای در تقریبا تمامی دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مورد استفاده قرار می‌گیرند.
یکی از فرآیندهایی که می‌تواند باعث ایجاد اختلال در عملکرد این مدل از باتری‌ها گردد، تماس مستقیم (اتصال کوتاه) بین آند و کاتد می‌باشد.
برای جلوگیری از این اختلال از موادی به اسم (پلی‌اولفین) که نوعی خاص از پلیمر هستند برای محافظت از جداکننده‌ها استفاده می‌شود.
با این‌حال این مدل از جداکننده‌ها در دمای بالا بازدهی مناسب نداشته و ذوب می‌شوند.
ذوب شدن این جداکننده‌ها باعث جذب ناکافی الکترولیت می‌شود (که برای انتقال بار بین الکترودها ضروری است) و می‌تواند منجر به اتصال کوتاه و کاهش راندمان باتری شود.
برای مقابله با مشکلات معمول در توسعه باتری‌های لیتیوم یون چندین روش پیشنهاد شده است که عبارتند از:
یکی از این روش‌ها استفاده از پوشش‌های سرامیکی بر روی جداکننده‌ها برای بهبود و مدیریت فشار و گرماست. با این‌حال این روش می‌تواند باعث افزایش ضخامت جداکننده‌ها شده و چسبندگی آنها را کاهش دهد که به عملکرد باتری آسیب می‌رساند.
روشی دیگر استفاده از پوشش‌های پلیمری است که در فرآیندی به اسم پلیمریزاسیون پیوند شناخته می‌شود. این روش باعث اتصال واحدهای منفرد (مونومر) به جداکننده‌ها می‌شود تا جداکننده‌ها به کیفیت مورد نظر برسند.
حال در مطالعات در حال پیشرفت جدید که در مقاله Energy Storage Materials منتشر شده خبر از پلیمرازسیون موفقیت آمیز بر روی یک جداکننده پلی پروپیلن (PP) می‌دهد که دارای یک لایه یک‌نواخت از دی اکسید سیلیکون (SiO2) است. نتایج پژوهشی مطالعه مشترک انجام شده توسط تیمی از محققان، از جمله استاد جونگسیک یون از دپارتمان انرژی و مهندسی شیمی در دانشگاه ملی اینچئون، در 13 دسامبر 2023 به صورت آنلاین در دسترس قرار گرفت و در تاریخ فوریه 2024 در جلد 65 مجله Energy Storage Materials منتشر خواهد شد.
انگیزه دکتر یون از مطالعه بر روی دی‌اکسید سیلیکون:
انگیزه دکتر یون از این مطالعات دستیابی وساخت باتری‌ای با کارایی بالا در وسایل نقلیه الکتریکی و دستیابی به محدوده رانندگی طولانی‌تر بود، همچنین هدف او از این مطالعات کاهش نگرانی مصرف کنندگان در مود انفجار باتری‌های لیتیومی بود که یکی از موارد تأثیرگذار در انتخاب آنها بوده و یکی از عوامل کاهش اقبال مردم در استفاده از وسائل نقلیه الکتریکی می‌باشد.
به گفته وی: “انفجار باتری‌های لیتیومی معمولا از ذوب یک جداکننده شروع می‌شود. جداکننده‌های معمول باتری‌های لیتیومی از پلی اولفین‌ها ساخته شده‌اند (دسته‌ای از پلیمرها که در برابر گرما آسیب پذیر هستند)، بنابراین هدف ما بهبود پایداری حرارتی جداکننده‌های معمول بازار با موادی مقاوم همچون ذرات دی اسکید سیلیکون SiO2 است.”
نحوه ساخت جداکننده‌های جدید:
در این مطالعه یک جداکننده پلی پروپلین PP به چندین روش اصلاح شد. در ابتدا با لایه‌ای از پلی وینیلیدین فلوراید پوشانده شد، ماده‌ای شیمیایی که برای افزایش میل ترکیبی الکترولیت و پایداری حرارتی انتخاب شده و در عین حال مکان‌های واکنش پیوندی را نیز مشخص می‌کند. سپس جداکننده تحت پیوند با مولکول‌های متاکریلایت قرار گرفته و به دنبال آن تحت پوشش با ذرات دی اکسید سیلیکون SiO2 قرار می‌گیرد.
این تغییرات جداکننده را در برابر گرما مقاوم‌تر کرده، رشد دندریت‌های لیتیوم رو مهار و همچنین چرخه عملکردی باتری را نیز بهبود می‌بخشد.
همچنین این تغییرات نه تنها ذخیره انرژی باتری‌های لیتیوم یونی را در واحد حجم حفظ کردند، بلکه از سایر روش‌های معمول در پوشاندن لایه جداکننده بهتر عمل کردند.
بنابراین، استفاده از این تکنیک جدید نوید بخش ساخت جداکننده‌هایی قوی و پیشرفته برای استفاده در باتری‌های لیتیوم یونی بوده که قابل استفاده در خودروهای الکتریکی و سیستم‌های ذخیره انرژی می‌باشد.
دکتر یون: “ما امیدواریم که نتایج این مطالعه بتواند توسعه باتری‌های لیتیومی را با ایمنی بالا امکان‌پذیر کند. ما معتقدیم که پایداری حرارتی این باتری‌ها تا حد زیادی برای حوزه خودروهای الکتریکی حال حاضر که حساس به آتش هستند مفید خواهد بود، در دراز مدت نیز این‌کار می‌تواند در مردم انگیزه خرید وسایل نقلیه الکتریکی را افزایش دهد، همچنین این پیشرفت باعث می‌شود تا رنج مردم ناشی از تنفس هوای آلوده که توسط خودروهای دارای موتور احتراق داخلی ایجاد شده را نیز کاهش دهد.”
