یک گام نزدیک‌تر تا باتری‌های قوی‌تر و ایمن‌تر

محققان دانشگاه ویرجینیا در تلاش برای بهبود رسانایی و ایمنی باتری‌های لتیوم-یون هستند؛ باتری‌هایی که امروزه به‌عنوان نیروی محرکۀ بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی سراسر جهان از لپ‌تاپ و تلفن همراه گرفته تا قلب مصنوعی شناخته می‌شوند.

به گفتۀ Puru Jena، استاد برجستۀ فیزیک، بی‌ثباتی باتری‌های لیتیوم-یون به دلیل وجود الکترولیت‌های مایعی که به انتقال بار از الکترودی به الکترود دیگر کمک می‌کنند، از جمله خطرات قابل پیشگیری توسط دانشمندان است. با وحود این بی‌ثباتی، الکترولیت‌های حالت مایع در باتری‌های لیتیوم-یونی به دلیل رسانایی بهتر نسبت به الکترولیت‌های حالت جامد، رایج‌ترند.

براساس مطالعات نظری Jena و همکار او، Hong Fang، می‌توان الکترولیت‌های حالت جامدی ساخت که نه‌تنها به اندازۀ حالت مایع رسانا هستند، بلکه پایایی و ثبات بیشتری نیز دارند. یافته‌های آن‌ها، که در گزارشات این ماه آکادمی ملی علوم منتشر شد، می‌تواند منتهی به تولید باتری‌های لیتیوم-یونی ایمن‌تر و قوی‌تر شود.

مقالۀ مرتبط: نسل جدید باتری‌ها: شارژ کامل دیوایس تنها در ۹ ثانیه!

تغییر در مکانیسم عمل باتری جدید

الکترولیت‌هایی مرکزی باتری، نمک‌هایی هستند که از یون‌های مثبت و منفی تشکیل شده‌اند.

یون‌های مثبت اتم‌هایی هستند که تعداد پروتون‌های آن‌ها بیشتر از الکترون‌هایشان است.

در حالی که یون‌های منفی، برعکس، الکترون بیشتری تسبت به پروتون دارند. در یک باتری لیتیوم-یونی، یون‌های مثبت لیتیوم بین الکترودها از طریق الکترولیت جریان می‌یابند. یون‌های لیتیوم می‌توانند آزادانه از طریق الکترولیت‌های حالت مایع جریان یابند، اما در الکترولیت حالت جامد، این حرکت کم‌تر است و این امر، تاثیر منفی بر هدایت الکتریکی می‌گذارد.

برای بهبود رسانایی در الکترولیت‌های حالت جامد، محققان مدلی محاسباتی ابداع کردند که در آن، یک یون منفی حذف شده‌است.

خوشۀ یو‌های منفی – گروهی از اتم‌ها با الکترون بیشتر نسبت به پروتون– جانشین یون‌های غایب می‌شوند.

دانشمندان پیچ‌و‌تابی را در یک الکترولیت حالت جامد خاص که پیشتر توسط محققان دیگر مورد آزمایش قرار گرفته، ملاحظه کردند.

در اصل، این الکترولیت، که متعلق به خانواده‌ای از کریستال‌ها، معروف به Antiperovskiteهاست، شامل یون‌های مثبت ساخته‌شده از سه اتم لیتیوم و یک اتم اکسیژن است.

یون‌های مثبت با یک اتم کلر، که یونی منفی است، پیوند برقرار می‌کنند.

مقالۀ مرتبط: شارژ تلفن همراه در چند ثانیه به واقعیت نزدیک‌تر شده است!

در مدل‌محاسباتی، به‌جای اتم کلر، خوشۀ منفی (متشکل‌از یک اتم بور و چهار اتم فلور) به یون‌های مثبت موجود می‌پیوندد.

ترکیبات دیگر یون‌های خوشۀ منفی به شکل بالقوه باعث افزایش هدایت می‌شوند.

جایگزینی یون کلر با خوشه، باعث افزایش هدایت می‌شود؛ چراکه این یون‌ها بزرگترند و به یون‌های لیتیوم اجازۀ حرکت سریع را می‌دهند، درست مانند زمانی که در [الکترولیت‌های] مایع هستند.

آیندۀ تحقیقات

در‌حال‌حاضر Jena و Fang در جست‌و‌جوی همکاران جدید برای آزمایش مدل خود در محیط آزمایشگاهی با شرایط باتری‌های لیتیوم-یون هستند.

از تکنولوژی بیشتر بخوانید!