روسیه راهی برای ایجاد باتری‌های ایمن و مقرون‌به‌صرفه با قابلیت شارژ سریع پیدا کرده است

به گزارش مجله خبری نگار،محققان روسی گامی به سوی ساخت باتری‌هایی برداشته‌اند که می‌توانند در عرض چند دقیقه شارژ شوند، دوام بیشتری داشته باشند و نسبت به نمونه‌های فعلی خود ایمن‌تر باشند. دانشمندان دانشگاه اسکولتک مروری بر اکتشافات اساسی در زمینه ترکیب چندلایه لیتیوم، سدیم و پتاسیم در مواد کربنی ارائه دادند - فناوری‌ای که می‌تواند بازار‌های انرژی و خودرو‌های الکتریکی را به طور اساسی تغییر دهد. سرویس مطبوعاتی دانشگاه این موضوع را به Gazeta گزارش داد.

تا همین اواخر، اعتقاد بر این بود که فلزات قلیایی فقط می‌توانند به صورت لایه‌های تک اتمی در گرافیت گنجانده شوند. با این حال، در سال ۲۰۱۸، یک میکروسکوپ الکترونی با دقت بالا برای اولین بار ساختار‌های لیتیوم چند لایه متراکم را که بین صفحات گرافن "ساندویچ" شده بودند، مشاهده کرد. این مشاهده آغاز یک جهت جدید در علم مواد بود: معلوم شد که ساختار‌های مشابه می‌توانند با سدیم و پتاسیم در انواع معماری‌های کربن - از گرافن گرفته تا کربن جامد بی‌نظم - تشکیل شوند.

این الگوی جدید چندین مزیت کلیدی ارائه می‌دهد. اول، افزایش چشمگیر ظرفیت: محاسبات نشان می‌دهد که گرافن با چهار لایه لیتیوم می‌تواند سه برابر از بهترین آند‌های گرافیتی مدرن بهتر عمل کند. دوم، سرعت بالا: نانوکانال‌های ویژه ایجاد شده در ماتریس‌های کربنی به عنوان "بزرگراه" برای یون‌ها عمل می‌کنند. این موضوع قبلاً به صورت تجربی ثابت شده است: باتری‌های سدیم-یون نمونه اولیه پس از ۳۰۰۰ چرخه شارژ فوق سریع، تا ۸۳ ٪ از ظرفیت خود را حفظ می‌کنند.

یک جنبه به همان اندازه مهم، ایمنی است. باتری‌های لیتیومی سنتی مستعد رشد دندریت‌های فلزی هستند - ساختار‌های سوزنی شکل که باعث اتصال کوتاه و آتش‌سوزی می‌شوند. ساختار‌های چندلایه در یک چارچوب کربنی پایدار، با رسوب فلز در داخل باتری به جای سطح آن، این مشکل را از بین می‌برند.

ایلیا چپکاسوف، یکی از نویسندگان این مطالعه، خاطرنشان کرد: «ما شواهدی را که نشان می‌دهد طبیعت به ما اجازه می‌دهد یون‌ها را بسیار محکم‌تر از آنچه قبلاً تصور می‌شد، در کربن بگنجانیم، سیستماتیک کرده‌ایم.»

به گفته‌ی او، کلید حل این مشکل در طراحی مهندسی حامل کربن نهفته است - کنترل اندازه‌ی نانوحفره‌ها، ایجاد مزوکانال‌ها و کانال‌های اتمی که یون‌ها را در مسیر‌های بهینه هدایت می‌کنند.

نویسندگان تأکید کردند که مسیر از کشف آزمایشگاهی تا فناوری صنعتی قبلاً ترسیم شده است. روش‌هایی برای اصلاح گرافیت وجود دارد، مانند تونل‌زنی مولکولی با آمونیاک و سنتز کربن جامد از زیست‌توده. با این حال، برای پذیرش گسترده، لازم است مدل‌سازی کامپیوتری بهبود یابد، یاد گرفته شود که فرآیند‌های داخل یک باتری در حال کار را به صورت بلادرنگ رصد کرد و هزینه این فناوری را کاهش داد.

پروفسور الکساندر کواشنین توضیح داد: «مرحله بعدی مهندسی و فناوری است. ما باید یاد بگیریم که چگونه این مواد را نه تنها در آزمایشگاه، بلکه در مقیاس صنعتی نیز تولید کنیم.»