چگونه ميتوان باتريهايي با قابليت شارژ سريع توليد كرد؟
درحالحاضر، خودروهاي برقي براساس مجموعهي محدودي از باتريها عمل ميكنند؛ زيرا شارژ خودروها حتي در شرايط ايدئال بهاندازهي سوختگيري بنزيني سريع نيست. تاكنون، بيشتر تلاشها متمركز بر افزايش ظرفيت باتريها بودند؛ اما چگونه ميتوان نوعي باتري ساخت كه به سرعت و سادگي پركردن مخزن بنزين شارژ شود؟
ايدههاي زيادي دربارهي توليد باتري با شارژ سريع وجود دارد؛ اما مقالهاي كه بهتازگي در مجلهي Science چاپ شد، روشي عجيبي را پيشنهاد ميدهد: استفاده از مادهاي بهنام فسفر سياه كه صفحاتي با ضخامت اتمي را همراه با كانالهاي ليتيمي تشكيل ميدهد. فسفر سياه بهخوديخود مادهي مناسبي براي ساخت باتري نيست؛ اما طبق محاسبات گروهي از پژوهشگران آمريكايي و چيني، ميتوان اين ماده را بهينهسازي كرد. طبق اين پژوهش، حتي اگر نتوان از فسفر سياه بهعنوان مادهاي براي توليد باتري استفاده كرد، ميتوان به انديشه متخصصيناتهايي دربارهي منطق و فرايند توسعهي باتريها دست يافت.
حال اين سؤال مطرح ميشود: فسفر سياه دقيقا چيست؟ سادهترين روش براي درك اين ماده مقايسهي آن با گرافيت است؛ مادهاي كه در الكترود باتريهاي ليتيوميوني بهكار ميرود. گرافيت شكلي از كربن است كه بهشكل مجموعهي بزرگي از صفحات گرافني روي يكديگر قرار گرفتهاند. گرافن هم خود صفحهاي شامل مولكولهاي عظيم با پيوند اتمهاي كربن است كه در الگويي ششضلعي كنار يكديگر قرار گرفتهاند. بههمينترتيب، فسفر سياه هم تركيبي از تعداد زيادي از صفحات بهنام فسفرين است.
بااينهمه، تفاوتهاي مهمي بين مواد يادشده وجود دارد. در درجهي اول، اتم فسفر بزرگتر از كربن است و الكترونهاي بيشتري دارد؛ درنتيجه، ميتواند با تعداد بيشتري از اتمهاي ليتيوم واكنش دهد. اين واكنشپذيري يكي از ويژگيهاي اصلي الكترودهاي باتري است. تفاوت مهم ديگر پيوند بين اتمهاي كربن است كه باعث ميشود گرافن نسبتا مسطح باشد و ضخامتش به بيش از يك اتم كربن نرسد. صفحات فسفرين معمولا كاملا مسطح نيستند و اتمهاي مجاور هم بهصورت زاويهدار به يكديگر وصل ميشوند و باعث ايجاد كانالها و شيارهايي روي صفحات فسفرين ميشوند.
ويژگيهاي يادشده توجه پژوهشگران را بهخود جلب كردند. زاويهي بين اتمهاي فسفر باعث ايجاد انشعابي ميشوند كه يونهاي ليتيومي را بهسرعت به داخل و بيرون ماده هدايت ميكنند. ازآنجاكه هر اتم فسفر ميتواند با چند يون ليتيوم واكنش دهد، ازانديشه متخصصين تئوري ظرفيت الكترود دو ماده فراوان است. علاوهبراين، فسفر سياه الكتريسيته را بهخوبي منتقل ميكند كه ويژگي مهمي براي الكترود باتري است.
باتوجهبه مزاياي ذكرشده، چرا از فسفر سياه نبايد استفاده كرد؟ زيرا در عمل نتيجهبخش نيست. فسفر سياه نيز مانند ديگر مواد الكترودي، براثر برخورد با يونهاي ليتيومي گسترش مييابد و ميتواند خطر خرابي ساختاري را در طول چرخههاي شارژ و تخليهي شارژ افزايش دهد. همچنين، پيوندهاي شيميايي در لبههاي صفحات فسفري بين لايههاي مختلف شكل ميگيرند و باعث عايقشدن برخي از كانالها ميشوند. براي عملكرد صحيح مواد باتري، بايد اين اشكالات را برطرف كرد.
راهحل
پژوهشگران براي حل اشكال پيوندهاي شيميايي در لبهي صفحات فسفرين، فسفر سياه را با گرافيت تركيب كردند تا اتمهاي لبهي صفحهي فسفريني با اتمهاي كربن پيوند برقرار كنند. با اينكه گرافيت بهاندازهي كربن واسطهي ذخيرهسازي مناسبي نيست، در باتريها عملكرد مناسبي دارد. با محدودكردن مقدار گرافيت مصرفي به ۱۵ درصد از كل ماده، ميتوان مطمئن شد كه فسفر سياه بخش زيادي از حافظهي ليتيومي را كنترل ميكند.
پژوهشگران براي نتيجهبخشبودن فسفر سياه با الكتروليت جامد، آن را با لايهاي نازك از ژل پليمري پوشاندند. بدينترتيب، حتي اگر الكترود بهدليل جريان انبوه يونهاي ليتيومي به اطراف حركت كند، ميتواند با الكتروليت جامد واكنش دهد. آنها با مطالعه ماده پس از چرخهي شارژ و تخليهي شارژ باتري متوجه شدند در اين فرايند، مواد شيميايي حاصل از تجزيهي مواد ديگر باتري جدا ميشوند و دوام باتري افزايش پيدا ميكند. درنهايت، ظرفيت الكترود همراه با پوشش پليمري پس از ۲،۰۰۰ چرخه، ۱۰ برابر بيشتر از همان مادهي بدون پوشش پليمري بود.
پژوهشگران با فسفر سرخ هم نسخهاي از الكترود را ساختند. در اين نسخه، بهجاي صفحات لايهاي حلقهاي بينظم تشكيل ميشود كه ظرفيت آن تنها يكسوم ظرفيت نسخهي فسفري سياه است. آنان با مطالعه الكترودها، به پيوندهاي كربن فسفري پي بردند و نسخهاي از الكترود هم بدون گرافيت توليد شد. مقاومت اين نسخه دربرابر ورود يونهاي ليتيومي افزايش يافت؛ درنتيجه پيوندهاي كربني فسفري از ايجاد پيوند بين صفحات فسفرين مجاور جلوگيري ميكنند.
شارژ سريع
پرسش اصلي اين است: آيا مادهي بهدستآمده امكان شارژ سريع را ميدهد؟ تراكم ذخيرهسازي در باتريهاي ليتيومي كنوني به ۵۰۰ ميليآمپرساعت بر گرم ميرسد؛ اما سرعت شارژ آنها آهسته است. براي شارژ باتري كه بتواند با پركردن مخزن گاز رقابت كند، به مادهاي نياز است كه بتواند به سطح ذخيرهسازي مشابهي با سرعت شارژ بيش از پنج آمپرثانيه بر گرم برسد.
مادهي جديد پس از شارژ با سرعتي مشابه باتريهاي ليتيوميوني معمولي به ظرفيتي برابر با سه برابر باتريهاي موجود رسيد. سپس با سرعتي بيشتر شارژ شد و تراكم آن بازهم به ۸۰۰ ميليآمپرساعت بر گرم رسيد و از باتريهاي ليتيومي سبقت گرفت. همچنين، ميتوان بدون كاهش چشمگير ظرفيت، سرعت شارژ را دوبرابر كرد. اين اعداد پس از ۲،۰۰۰ چرخهي شارژ و تخليهي شارژ بهدست آمدند؛ درنتيجه، ميتوان گفت باتري جديد بادوام است.
آنچه گفته شد، صرفا عملكرد يك الكترود را نشان ميدهد، نه كل باتري. دلايل زيادي مثل سهولت توليد تا يكپارچهسازي ضعيف با ديگر قطعات را ميتوان براي راهنيافتن اين فناوري به بازار برشمرد؛ اما شناسايي مواد سودمند گامي مفيد براي توليد باتريهايي با قابليت شارژ سريع است.
هم انديشي ها