دانشمندان روسی طول عمر باتری‌های لیتیوم-یونی را افزایش داده‌اند

به گزارش مجله خبری نگار،محققان موسسه علوم و فناوری اسکولکوو رویکرد جدیدی را برای افزایش طول عمر باتری‌های لیتیوم-یونی - یک جزء کلیدی در وسایل نقلیه الکتریکی، لوازم الکترونیکی مصرفی و سیستم‌های ذخیره انرژی - توسعه داده‌اند. دانشمندان نشان دادند که افزودن تنها ۰.۵ درصد مولی اکسید تانتالوم (Ta₂O₅) به ماده کاتد، تقریباً از دست دادن ظرفیت در هر چرخه را به نصف کاهش می‌دهد. سرویس مطبوعاتی دانشگاه این موضوع را به Gazeta گزارش داد.

باتری‌های مدرن از اکسید‌های لایه‌ای با محتوای نیکل بالا استفاده می‌کنند، زیرا این کاتد‌ها امکان ذخیره انرژی بیشتری را فراهم می‌کنند. با این حال، محتوای بالای نیکل این ماده را آسیب‌پذیر می‌کند: ذرات آن در حین کار ترک می‌خورند و ساختار به تدریج رو به زوال می‌رود. این امر منجر به تخریب سریع باتری می‌شود - مشکلی که به ویژه برای وسایل نقلیه الکتریکی حیاتی است، جایی که طول عمر کل وسیله نقلیه به ظرفیت باتری بستگی دارد.

لیوتسیا سیتنیکووا، دانشجوی کارشناسی ارشد رشته علوم مواد در اسکولتک، گفت: «ما یک مدل ریاضی توسعه دادیم که به ما امکان می‌دهد پیش‌بینی کنیم که چگونه نیکل، منگنز و کبالت در ذرات کروی کاتد تحت شرایط سنتز مختلف توزیع می‌شوند. با استفاده از این مدل، ما توانستیم به طور خاص سه نوع ساختار گرادیان را سنتز کنیم. داده‌های تجربی محاسبات ما را تأیید کردند.»

با این حال، حتی یک گرادیان کاملاً ایجاد شده نیز می‌تواند در مراحل نهایی تولید در دمای بالا، هنگامی که لیتیوم به ساختار اضافه می‌شود، مختل شود. برای حفظ توزیع مطلوب عناصر، محققان تصمیم گرفتند کاتد را با افزودن Ta₂O₅ اصلاح کنند.

الکساندرا ساوینا، نویسنده اصلی این مطالعه و محقق ارشد در مرکز فناوری‌های انرژی، توضیح داد: «ما کشف کردیم که تانتالوم صرفاً ساختار را آلایش نمی‌دهد، بلکه روی سطح کریستالیت‌های اولیه جدا می‌شود و باعث بی‌نظمی کاتیونی کنترل‌شده در شبکه لایه‌ای می‌شود. تانتالوم یک لایه سطحی با ضخامت چند نانومتر تشکیل می‌دهد که به صورت اپیتاکسی ساختار ذرات را گسترش می‌دهد. این امر سطح را تقویت کرده و رفتار آن را تثبیت می‌کند.»

محاسبات شیمی کوانتومی تأیید کرد که چنین تفکیکی از تانتالوم از نظر ترمودینامیکی مطلوب است.

آرتم آباکوموف، مدیر علمی پروژه و استاد برجسته مرکز علوم و فناوری انرژی اسکولتک، خاطرنشان کرد: «تانتالوم به طور مؤثر از مهاجرت یون نیکل جلوگیری کرده و تحرک مرز دانه‌ها را سرکوب می‌کند. این امر نه تنها شیب غلظت را حفظ می‌کند، بلکه از درشت شدن ذرات نیز جلوگیری می‌کند. در نتیجه، پایداری چرخه‌ای و پایداری حرارتی کاتد به طور قابل توجهی بهبود می‌یابد.»

رویکرد توسعه‌یافته در حال حاضر فراتر از علوم بنیادی است. بر اساس نتایج به‌دست‌آمده، اسکولتک قصد دارد دسته‌های آزمایشی از ماده جدید NMC۹۰-GTa را در یک خط تولید آزمایشی با ظرفیت حداکثر ۱۰۰ تن در سال تولید کند. این فناوری می‌تواند مبنایی برای ایجاد باتری‌های نسل بعدی باشد که بادوام‌تر و ایمن‌تر هستند.