محققان کره جنوبی فناوری جدیدی را توسعه داده‌اند که می‌تواند به باتری‌های کوچکتر و سبک‌تر برای وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) منجر شود که قادر به ارائه برد طولانی‌تر با یک بار شارژ هستند. دانشمندان KAIST راهی برای رفع ضعف عمده باتری های بدون آند پیدا کرده اند که مواد معمولی مانند گرافیت را حذف می کند تا اندازه و وزن باتری را کاهش دهد. اگرچه این باتری ها می توانند انرژی بیشتری را در فضای کمتری ذخیره کنند، اما عمر آنها اغلب به دلیل تشکیل ساختارهای لیتیومی تیز در هنگام شارژ محدود می شود. محققان با تطبیق تکنیک‌های ساخت دقیق از صنعت نیمه‌رسانا، با این مشکل مقابله کردند و به لیتیوم اجازه دادند به طور یکنواخت انباشته شود و در عین حال توسعه یک لایه محافظ بادوام را تشویق کنند.
در 22 سپتامبر، KAIST (رئیس جمهور Choongsik Bae) پیشرفت یک تیم مشترک به رهبری پروفسورهای Jinwoo Lee و Hee-Tae Jung از گروه مهندسی شیمی و بیومولکولی خود را اعلام کرد. دانشمندان دانشگاه ملی کیونگ پوک (رئیس جمهور هیو یانگ وو) و مرکز ملی ساخت نانو (رییس پارک هیونگ سو) نیز در این پروژه شرکت کردند. با استفاده از روش‌های ساخت بسیار دقیق که به‌طور سنتی برای ساخت دستگاه‌های نیمه‌رسانا استفاده می‌شد، محققان رویکردی را توسعه دادند که طول عمر باتری‌های بدون آند را بدون افزایش قابل توجه اندازه یا وزن آنها افزایش می‌دهد.
چرا باتری های بدون آند می توانند وسایل نقلیه الکتریکی را متحول کنند؟
در باتری های لیتیوم یونی معمولی، لیتیوم در آند ساخته شده از موادی مانند گرافیت در هنگام شارژ باتری ذخیره می شود. باتری های بدون آند متفاوت عمل می کنند. آنها به جای تکیه بر یک ماده آند جداگانه، اجازه می دهند لیتیوم مستقیماً روی یک ورقه نازک از فویل مسی رسوب کند.
حذف آند معمولی باعث حذف موادی می شود که در غیر این صورت به وزن و ضخامت کلی باتری کمک می کند. این امکان ذخیره انرژی بیشتر را در همان مقدار فضا فراهم می کند و به طور بالقوه به وسایل نقلیه الکتریکی اجازه می دهد بدون نیاز به بسته های باتری بزرگتر یا سنگین تر سفر کنند.
با این حال، این طراحی امیدوارکننده یک نقص جدی دارد. از آنجایی که باتری به طور مکرر شارژ و دشارژ می شود، لیتیوم همیشه به طور مساوی روی سطح مس توزیع نمی شود. در عوض، می‌تواند در ساختارهای شاخه‌دار یا سوزنی‌مانند به نام دندریت انباشته شود.
این ساختارها با عملکرد باتری تداخل دارند، در حالی که لایه محافظ اطراف لیتیوم نیز می تواند ناپایدار شود. این مسائل در کنار هم باعث می‌شود باتری سریع‌تر از بین برود و عمر محدود را به یکی از بزرگترین موانع برای معرفی باتری‌های بدون آند در استفاده تجاری گسترده تبدیل کند.
تلاش‌های قبلی برای رفع این مشکل شامل تامین لیتیوم اضافی برای جایگزینی مواد از دست رفته در حین کار یا پوشاندن الکترود با پوشش محافظ ضخیم‌تر بود. اگرچه این رویکردها می‌توانند به جبران تخریب سطح یا محافظ کمک کنند، اما مواد اضافی را نیز معرفی می‌کنند. افزایش ضخامت و وزن در نتیجه مزیت اصلی فناوری باتری بدون آند را تضعیف می کند.
استفاده از فن آوری نیمه هادی برای جلوگیری از ریزش لیتیوم
تیم تحت رهبری KAIST به جای افزودن مقادیر قابل توجهی از مواد، بر تغییر ساختار فویل مسی که در آن لیتیوم تجمع می یابد، متمرکز شد.
محققان یک الگوی منظم از لوله های میکروسکوپی در سراسر سطح مس ایجاد کردند. این مفهوم شبیه تقسیم یک پارکینگ بزرگ به فضاهای جداگانه است. سازه های کوچک به جای اجازه دادن به لیتیوم برای جمع آوری نابرابر در مناطق خاص، توزیع یکنواخت تری از مکان هایی را که می تواند در آن ته نشین شود فراهم می کند.
برای تولید این ویژگی‌ها، تیم یک تکنیک تولید نیمه‌رسانا به نام لیتوگرافی کندوپاش ثانویه (SSL) را اقتباس کردند. این فرآیند امکان تولید سازه های بسیار کوچک با دقت بالا را فراهم می کند.
هر لوله تقریباً 300 نانومتر عرض و 150 نانومتر ارتفاع دارد. علیرغم اندازه کوچک آنها، ساختارها مساحت سطح در دسترس فویل مس را برای رسوب لیتیوم به تقریباً چهار برابر یک ورق مسطح معمولی افزایش دادند.
سطح منبسط شده به توزیع یکنواخت‌تر لیتیوم کمک می‌کند و تجمع متمرکز را کاهش می‌دهد که می‌تواند منجر به خوشه‌های آسیب‌رسان شود. این رویکرد شرایط را برای رسوب پایدار لیتیوم بدون تکیه بر مقادیر زیاد مواد اضافی بهبود می بخشد.
پوشش محافظ بسیار نازک به باتری ها کمک می کند تا عمر بیشتری داشته باشند
محققان با پوشاندن فویل مسی با MXene، یک ماده دو بعدی، قدمی فراتر گذاشتند. این پوشش تقریباً 10 نانومتر ضخامت داشت که معادل تنها چند هزارم ضخامت موی انسان است.
MXene به جای اینکه به عنوان سد محافظ نهایی باتری عمل کند، به عنوان پایه ای عمل می کند که ایجاد یک لایه محافظ قوی تر را در حین کار تشویق می کند. همانطور که پرایمر سطحی را برای رنگ آمیزی آماده می کند، به چسباندن مواد مورد نیاز برای ایجاد یک پوشش پایدار کمک می کند.
در الکترولیت مبتنی بر LiPF6 مورد استفاده در آزمایش‌ها، سطح MXene تشکیل یک لایه محافظ حاوی غلظت‌های بالای لیتیوم فلوراید (LiF) را ترویج می‌کند.
این لایه به محدود کردن واکنش‌های شیمیایی ناخواسته بین لیتیوم و الکترولیت کمک می‌کند، در حالی که رشد سنبله‌های آسیب‌رسان لیتیوم را محدود می‌کند. با تثبیت سطح الکترود، به دو دلیل مهم تخریب باتری بدون آند می پردازد.
برای درک چگونگی توسعه لایه محافظ، دانشمندان سطوح الکترود و مقاطع داخلی داخلی را بررسی کردند و در عین حال تماس آنها را با هوا محدود کردند. مشاهدات آنها تأیید کرد که یک لایه محافظ در مقیاس نانو به طور یکنواخت روی سطح MXene تشکیل شده و به توضیح فرآیند مسئول تشکیل آن کمک می کند.
این تحقیق شامل چندین روش تحلیلی پیشرفته، از جمله طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS)، طیف‌سنجی جرمی یونی ثانویه زمان پرواز (ToF-SIMS) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) بود.
گامی امیدوارکننده به سمت باتری های EV کوچکتر و با دوام بیشتر
پروفسور جین وو لی گفت: «این مطالعه نشان می‌دهد که چگونه تکنیک‌های ساخت بسیار ظریف مورد استفاده در تولید نیمه‌رساناها می‌توانند هم محل‌های رسوب لیتیوم یکنواخت و هم یک لایه محافظ پایدار را بدون تغییر فرمول الکترولیت حجیم یا اضافه کردن لیتیوم اضافی ایجاد کنند.»
او همچنین توضیح داد که این یافته ها می تواند به تسریع توسعه تجاری باتری های پرانرژی بدون آند کمک کند. با بهبود عمر باتری در حالی که وزن و حجم اضافی را به حداقل می رساند، این فناوری می تواند از توسعه سیستم های ذخیره انرژی فشرده تر برای وسایل نقلیه الکتریکی آینده پشتیبانی کند.
محققان KAIST، یونجی کیم، هیونجو جونگ و جینوک کیم این مطالعه را با هم نویسندگان کردند. این یافته ها به صورت آنلاین در اول سپتامبر در مجله بین المللی منتشر شد مواد کاربردی پیشرفته.
این تحقیق از برنامه توسعه فناوری نانو و مواد از طریق بنیاد ملی تحقیقات کره (NRF) که توسط وزارت علوم و فناوری اطلاعات و ارتباطات (RS-2026-25542167) حمایت می شود، بودجه دریافت کرد. پشتیبانی اضافی از پروژه جهانی استفاده از فاب پیشرفته نیمه هادی از طریق مرکز ملی نانوساخت (NNFC) و پروژه توسعه فناوری برای پلت فرم فناوری اتصال باتری های نیمه هادی NNFC صورت گرفت.
