موفقیتی چشمگیر در ساخت الکترولیت جامد
دانشگاهها و آزمایشگاههای تحقیقاتی در سرتاسر دنیا در کنار یکدیگر در حال تحقیق بر روی الکترولیتهای جامد هستند تا نسل جدیدی از باتریهای لیتیم-یون را ارائه دهند.
کاملا مشخص است که دستیابی به نسل جدید باتریهای لیتیم-یون نیاز به اشتراک نظرات و تلاشهای گسترده محققان در سراسر دنیا دارد. در حال حاضر، باتریهای لیتیم-یون تجاری از الکترود گرافیت به عنوان آند و از اکسید فلزی به عنوان کاتد استفاده میکنند. این الکترودها توسط حلال آلی مایع که میتواند یونهای لیتیم را بین الکترودها انتقال دهد، با هم ارتباط دارند. حلال آلی الکترولیت اشتعال آور است و پتانسیل این را دارد که برای باتری خطرآفرین باشد.
در بخش آندی باتری لیتیم-یون که از لایههای گرافیت تشکیل شده، یونهای لیتیم در اثر شارژ در بین لایههای مواد وارد شده و در اثر دشارژ از ساختار آنها خارج میشوند. محققان باتری در این فکر هستند که جایگزینی آند گرافیت با لیتیم فلزی یونهای لیتیم بیشتری را در اثر دشارژ به جریان خواهد انداخت و تقریبا ظرفیت باتری را دوبرابر خواهد کرد. اما در حین شارژ باتری لیتیم فلزی، ساختارهای کریستالی با نام دندریت بر سطح فلز تشکیل میشوند که در اثر رشد بیش از اندازه و رسیدن به سطح کاتد منجر به اتصال کوتاه باتری خواهند شد. لذا برای حل این مشکل تلاشهایی صورت گرفته که مربوط به استفاده از الکترولیتهای جامد یا نیمه جامد است که میتوانند مانع از رشد دندریتی بر سطح فلز شده و از طرفی امکان انتقال یونهای لیتیم بدون هدایت الکترونها را فراهم کنند.
یکی از گزینههایی که اخیرا توجهات زیادی را به خود جلب کرده استفاده از الکترولیت ساخته شده از مواد پلیمری است. این ماده با نام الکترولیت جامد پلیمری (Solid Electrolyte Polymer: SPE) شناخته میشود که توسط تیمی در دانشگاه پنسیلوانیا به انجام رسید. نقطه اتکای تیم، استفاده از نافیون بود (یک کوپلیمر بر پایه تترافلوئورواتیلن سولفونه شده) که امکان انتقال یونهای مثبت (بدون عبور الکترونها) را فراهم میکرد. نافیون عمدتا به عنوان غشای تبادلگر پروتون (PEM) در پیلهای سوختی هیدروژنی استفاده میشود.
ساختار این ماده هنوز در هالهای از ابهام قرار دارد و ممکن است که هیچگاه به درستی فهمیده نشود. زیرا پلیمر نافیون ساختار نامنظمی دارد و مطالعه ساختار آن دشوار است. این ماده حاوی زنجیرههای جانبی است که بطور تصادفی تشکیل میشوند و پایانههای آن حاوی گروههای سولفونی هستند. گروههای سولفونیک اسید با آب وارد واکنش میشوند که در اثر این واکنش، کانالهایی در پلیمر تشکیل میدهند و امکان انتقال کاتیونها را در ساختار پلیمر فراهم میکنند. اگر این مسیرهای انتقال به صورت مستقیم باشند، لذا انتقال یونهای لیتیم در ساختار پلیمر سریعتر خواهد شد. محققان توانستند کانالهای موازی را در ساختار پلیمر ایجاد کنند که باعث نفوذ فوقالعاده یونهای لیتیم خواهند شد.
زنجیرههای موجود در ساختار نافیون، ساختاری مشابه تارهای مو را تشکیل میدهند که گروههای سولفونیک اسید در انتهای آنها قرار دارند. این مزیت، این امکان را برای نافیون فراهم میکند تا لایههای منظم و کانالهای مستقیمی را ترتیب دهد. انتقال کاتیونی در این حالت بسیار تسریع میشود.
هدف از این پروژه ساخت الکترولیت جامدی است که ایمنتر از الکترولیتهای مایع است. در این حالت، باتریهای لیتیمی حاوی الکترولیت پلیمری جامد، سبکتر و ارزانتر هستند. اینگونه باتریها ظرفیت دوبرابر و توانایی شارژ بسیار سریعتری از باتریهای رایج لیتیم-یون دارند.