باتری‌های لیتیوم فلزی تمام حالت جامد (LMBs) راه‌حل امیدوارکننده‌ای برای ذخیره‌سازی انرژی هستند؛ در این باتری‌ها از آند فلزی لیتیوم و الکترولیت‌های حالت جامد (SSEs) استفاده می‌شود.

برخلاف الکترولیت‌های مایع موجود در باتری‌های لیتیومی معمولی، الکترولیت این باتری‌ها به صورت کامل جامد است. در حالی که باتری‌های لیتیوم فلزی تمام حالت جامد می‌توانند چگالی انرژی به طور قابل توجه بالاتری در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یونی (LiBs) ارائه دهند، الکترولیت‌های جامد موجود در آنها مستعد رشد دندریت هستند که ثبات و ایمنی آنها را کاهش می‌دهد.

محققان دانشگاه وسترن در کانادا، دانشگاه مریلند در آمریکا و چند مرکز تحقیقاتی دیگر، یک الکترولیت حالت جامد β-Li 3 N با ظرفیت بالا و رسانایی قابل توجه طراحی کرده‌اند. این الکترولیت می‌تواند چرخه پایدار LMB‌های تمام حالت جامد را حفظ کند و تجاری‌سازی آنها را تسهیل کند.

ویهان لی از محققان این طرح گفت: هدف اولیه کار ما توسعه الکترولیت‌های حالت جامد رسانای فوق یونی پایدار برای LMB‌های تمام حالت جامد است که به ویژه در وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) قابل استفاده باشند.

بازار خودرو‌های برقی رشد سریعی را تجربه می‌کند، اما محدودیت کلیدی همچنان برد کوتاه ۳۰۰ تا ۴۰۰ مایل (۴۸۰ تا ۶۵۰ کیلومتر) در هر بار شارژ است، که به دلیل چگالی انرژی محدود (حدود ۳۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم) باتری‌های لیتیوم یون معمولی است. باتری‌های فلزی لیتیومی حالت جامد با ارائه ظرفیت دستیابی به چگالی انرژی تا ۵۰۰ وات ساعت بر کیلوگرم، راه‌حلی امیدوارکننده برای این چالش هستند. در نتیجه برد رانندگی را به بیش از ۶۰۰ مایل (۹۶۰ کیلومتر) در هر شارژ افزایش می‌دهند.

تاکنون یکی از چالش‌های کلیدی در توسعه LMB‌های تمام حالت جامد، نبود لبه خدمات امن ایمن موسوم به SSE، قابل اعتماد و با عملکرد بالا بوده است. اما هدف اصلی کار اخیر لی و همکارانش طراحی یک الکترولیت جدید بود.

در آزمایش‌های اولیه، الکترولیت‌های حالت جامد β-Li 3 N جدید و غنی از فضا‌های خالی طراحی شده توسط این تیم، بهبودی ۱۰۰ برابری در هدایت یونی و پایداری بیشتر در مقایسه با Li 3 N تجاری نشان داد. بنابراین، این ماده امیدوارکننده می‌تواند برای غلبه بر محدودیت‌های مربوط به توسعه LMB‌های تمام حالت جامد با کارایی بالا کمک کند.

محققان الکترولیت‌های حالت جامد غنی از فضا‌های خالی را با استفاده از فرآیند آسیاب گلوله‌ای با انرژی بالا سنتز کردند. این فرآیند برای ایجاد سایت‌های خالی به صورت کنترل شده مورد استفاده قرار گرفت که در نهایت خواص آن را افزایش داد.

لی توضیح داد: این الکترولیت جدید پایداری شیمیایی عالی در برابر فلز لیتیوم نشان می‌دهد و ساخت باتری‌های لیتیوم فلزی تمام حالت جامد (LMB) با چرخه طولانی را امکان‌پذیر می‌سازد. این ماده همچنین در هوای خشک پایداری بالایی دارد و آن را برای تولید در مقیاس صنعتی در محیط‌های اتاق خشک مناسب می‌کند.»

نتایج این طرح در قالب مقاله‌ای با عنوان Superionic conducting vacancy-rich β-Li 3 N electrolyte for stable cycling of all-solid-state lithium metal batteries (الکترولیت β-Li۳N غنی از فضای خالی رسانای سوپریونیک برای چرخه پایدار باتری‌های فلزی لیتیوم تمام حالت جامد) در نشریه Nature Nanotechnology (نانوتکنولوژی طبیعت) به چاپ رسیده است.

منبع: ستاد ویژه توسعه فناوری نانو