باتری‌ها به عنوان قلب تپنده دستگاه‌های الکترونیکی مدرن، از خودروهای برقی گرفته تا گوشی‌های هوشمند، نقشی حیاتی در زندگی روزمره ما ایفا می‌کنند. همان‌طور که فناوری به طور مداوم در حال پیشرفت است، نیاز به باتری‌هایی با ظرفیت بیشتر، دوام بالاتر و ایمنی بهتر نیز به طور فزاینده‌ای احساس می‌شود. در این راستا، محققان موسسه علم و فناوری پوهانگ (POSTECH) و پژوهشگاه انرژی کره (KIER) دست به ابتکار جدیدی زده‌اند که نویدبخش تحولی شگرف در صنعت باتری است.
این مقاله با الهام از منبع ارائه شده، به بررسی تحقیقات اخیر در زمینه توسعه یک ساختار پلیمری سه‌بعدی برای بهبود عملکرد باتری‌های لیتیوم فلزی می‌پردازد. در ادامه، ضمن تشریح چالش‌های موجود در این حوزه، مزایای این ساختار نوآورانه و چشم اندازهای آن برای آینده فناوری باتری را مورد بحث قرار خواهیم داد.
پیشرفت در فناوری باتری
باتری‌های لیتیوم یونی که امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند از اجزای کلیدی بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی هستند. با این حال، با افزایش تقاضا برای دستگاه‌هایی با کارایی بالاتر و برد طولانی‌تر، محققان به دنبال راه‌هایی برای ارتقاء ظرفیت و عملکرد باتری‌ها هستند. در این میان، آندهای لیتیوم فلزی به دلیل ظرفیت انرژی بسیار بالای خود (حدود 3860 میلی آمپر ساعت بر گرم)، که بیش از ده برابر ظرفیت آندهای گرافیتی رایج است، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این بدان معناست که باتری‌های لیتیوم فلزی می‌توانند انرژی بیشتری را در فضای کمتری ذخیره کنند. همچنین، برخلاف گرافیت یا سیلیکون، لیتیوم می‌تواند مستقیماً در واکنش‌های الکتروشیمیایی به عنوان الکترود شرکت کند.
با وجود مزایای قابل توجه، چالش‌های فنی مانعی بر سر راه استفاده گسترده از آندهای لیتیوم به شمار می‌روند. یکی از مشکلات اصلی، توزیع ناهمگون یون‌های لیتیوم در طی فرآیند شارژ و دشارژ است. این توزیع نامناسب منجر به ایجاد مناطقی با عنوان “لیتیوم مرده” می‌شود که ظرفیت و عملکرد باتری را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، رشد غیر یکنواخت لیتیوم در یک جهت می‌تواند منجر به اتصال کوتاه داخلی و خرابی باتری شود. در سال‌های اخیر، تحقیقات زیادی بر بهینه‌سازی انتقال یون‌های لیتیوم در ساختارهای سه‌بعدی متمرکز شده است. با این حال، بسیاری از این ساختارها از فلزات سنگین استفاده می‌کنند که به طور قابل توجهی چگالی انرژی باتری بر حسب وزن را کاهش می‌دهد.
ساختار سه بعدی نوآورانه برای آند
برای غلبه بر این چالش‌ها، گروهی از محققان به رهبری پروفسور سوجین پارک از موسسه علم و فناوری پوهانگ و دکتر گیوجین سونگ از پژوهشگاه انرژی کره، یک ساختار متخلخل هیبریدی جدید را توسعه داده‌اند. این ساختار ترکیبی از پلی وینیل الکل (پلیمر سبک با تمایل زیاد به یون‌های لیتیوم)، نانولوله‌های کربنی تک دیواره و کُره‌های نانوکربنی است.
این ساختار نوآورانه مزایای قابل توجهی نسبت به آندهای رایج باتری‌های لیتیوم یونی دارد. اولاً، وزن آن بیش از پنج برابر سبک‌تر از کالکتورهای مسی (Cu) است که به طور معمول در آندهای باتری استفاده می‌شود. ثانیاً، پلی وینیل الکل به کار رفته در این ساختار، تمایل بالایی به یون‌های لیتیوم دارد و انتقال آن‌ها را از طریق فضاهای موجود در ساختار متخلخل سه‌بعدی تسهیل می‌کند. این ویژگی منجر به رسوب دهی یکنواخت لیتیوم روی سطح آند می‌شود.
نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که باتری‌های لیتیوم مجهز به این ساختار سه‌بعدی، پایداری بالایی را پس از بیش از 200 چرخه شارژ-دشارژ از خود نشان داده‌اند و به چگالی انرژی قابل توجهی در حدود 344 وات ساعت بر کیلوگرم (انرژی بر وزن کل سلول) دست یافته‌اند. نکته قابل توجه این است که این آزمایش‌ها بر روی سلول‌های کیسه‌ای که نماینده کاربردهای صنعتی واقعی هستند، به جای سلول‌های سکه‌ای آزمایشگاهی انجام شده است. این امر نشان دهنده پتانسیل بالای این فناوری برای تجاری سازی در آینده است.
پروفسور سوجین پارک از موسسه علم و فناوری پوهانگ اهمیت این تحقیق را با بیان این جمله ابراز کرد که: “این تحقیق قابلیت‌های جدیدی را برای به حداکثر رساندن چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم فراهم می‌کند”. دکتر گیوجین سونگ از پژوهشگاه انرژی کره نیز تأکید کرد: “این ساختار که ویژگی‌های سبک وزنی را با چگالی انرژی بالا ترکیب می‌کند، نمایانگر یک پیشرفت در فناوری باتری‌های آینده است.”
