پژوهشگران چینی از یک جهش مهم در فناوری ذخیرهسازی انرژی رونمایی کردند؛ باتری لیتیوم فلزی جدیدی که چگالی انرژی آن از مرز ۶۰۰ واتساعت بر کیلوگرم عبور کرده و میتواند آینده پروازهای الکتریکی را متحول کند.
این دستاورد حاصل همکاری مشترک آزمایشگاه تیانموشان و دانشگاه چینهوا است. نتایج این تحقیق پس از بررسیهای دقیق، در نشریه بینالمللی Nature Communications منتشر شده و توجه گسترده جامعه علمی را به خود جلب کرده است.
چرا به باتریهای پرچگالی نیاز داریم؟
رشد سریع استفاده از پهپادها، هواگردهای بدون سرنشین و تاکسیهای هوایی برقی عمودپرواز (eVTOL) با یک چالش جدی روبهروست: مداومت پروازی کوتاه. باتریهای لیتیوم-یون تجاری فعلی که از آند گرافیتی استفاده میکنند، از نظر تئوری به سقف حدود ۳۵۰ واتساعت بر کیلوگرم رسیدهاند و عملاً دیگر جایی برای بهبود چشمگیر ندارند. این سقف انرژی، پروازهای طولانیمدت و مأموریتهای سنگین را محدود میکند.
برای عبور از این مرز، نگاهها به سمت باتریهای لیتیوم فلزی معطوف شده است؛ فناوری که به جای گرافیت، از فلز لیتیوم خالص در آند استفاده میکند و ظرفیت نظری بسیار بالاتری دارد، اما با دو مانع بزرگ ناپایداری و ایمنی روبهرو بوده است.
نوآوری کلیدی؛ الکترولیت هوشمند و لایه محافظ متراکم
تیم چینی برای حل این مشکلات، سراغ بازطراحی اساسی الکترولیت رفته است. آنها با مهندسی ساختار حلالپوشی (Solvation Structure) و معرفی یک افزودنی جدید، موفق شدند مکانیزم عملکرد باتری در ولتاژهای بالا را تغییر دهند.
این فرمول جدید دو کار حیاتی را همزمان انجام میدهد:
- روی کاتد: یک لایه محافظ (CEI) بسیار نازک اما فوقالعاده متراکم و یکنواخت ایجاد میکند که از تخریب کاتد در چرخههای شارژ و دشارژ با ولتاژ بالا جلوگیری میکند.
- روی آند: یک لایه رابط پایدار (SEI) روی سطح لیتیوم فلزی تشکیل میدهد که مانع از رشد دندریتهای لیتیومی میشود؛ زائدههای سوزنیشکلی که عامل اصلی اتصال کوتاه، افت ظرفیت و خطر آتشسوزی در باتریهای لیتیوم فلزی هستند.
به گفته پژوهشگران، همین لایههای پایدار دوگانه است که امکان دستیابی به چگالی انرژی بالا در کنار ایمنی و عمر چرخهای قابل قبول را فراهم کرده است.
نتایج خیرهکننده در سلولهای کیسهای ۱۰ آمپرساعتی
محققان برای اثبات کارایی فناوری خود، آن را روی سلولهای کیسهای (Pouch Cell) با ظرفیت ۱۰ آمپرساعت آزمایش کردند که مقیاسی نزدیک به کاربردهای واقعی محسوب میشود.
نتایج در دو ترکیب کاتدی متفاوت، رکوردشکن بود:
- در ترکیب با کاتد سهتایی نیکل بالا (NMC)، چگالی انرژی به ۵۵۰٫۷ واتساعت بر کیلوگرم رسید. نکته مهمتر اینکه این سلول پس از ۱۸۰ چرخه شارژ همچنان ۸۰ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کرد؛ عددی که برای باتریهای لیتیوم فلزی با این چگالی، بسیار امیدوارکننده است.
- با استفاده از کاتد غنی از لیتیوم بر پایه منگنز (Li-rich Mn-based)، انرژی ویژه برگشتپذیر به ۶۰۲٫۵ واتساعت بر کیلوگرم جهش کرد. این رقم بیش از ۵۰ درصد بهبود نسبت به بهترین سلولهای تجاری فعلی را نشان میدهد و بالاترین چگالی انرژی گزارششده برای یک سلول کیسهای با پایداری چرخهای مناسب به شمار میرود.
این اعداد به معنای آن است که یک پهپاد با همین وزن باتری، میتواند بیش از یک و نیم برابر مسافت فعلی را طی کند یا محموله سنگینتری را حمل کند.
از آزمایشگاه تا آسمان؛ تجاریسازی همچنان دور است؟
با وجود این پیشرفت چشمگیر، محققان تأکید میکنند که این فناوری هنوز در مراحل آزمایشی قرار دارد. مسیر تجاریسازی انبوه باتریهای لیتیوم فلزی با چگالی ۶۰۰ واتساعت، نیازمند حل چالشهای بیشتری است؛ از جمله کاهش هزینه تولید، افزایش مقیاس ساخت، تضمین ایمنی در شرایط محیطی متنوع و پایداری در هزاران چرخه شارژ.
با این حال، انتشار این پژوهش در Nature Communications نشان میدهد که چین گام بلندی برای پیشتازی در نسل بعدی باتریهای الکتریکی برداشته است. اگر این فناوری به تولید انبوه برسد، نهتنها پهپادها و تاکسیهای پرنده، بلکه خودروهای الکتریکی بردبلند و حتی تجهیزات قابل حمل پیشرفته نیز وارد عصر جدیدی از نظر وزن، برد و کارایی خواهند شد.
دیدگاهها (0)
هنوز دیدگاهی ثبت نشده است.