مکانیک باتری‌های حالت جامد: تفاوت الکترولیت، آند و کاتد با باتری‌های لیتیوم-یون

باتری‌های حالت جامد دقیقاً همان چیزی هستند که از نامشان پیداست: باتری‌هایی که به جای مایع، از یک ماده جامد برای انتقال انرژی استفاده می‌کنند. این تغییر ساده در مواد، به تولیدکنندگان اجازه می‌دهد تا از فلز لیتیوم خالص برای آند استفاده کنند، که ظرفیت انرژی باتری را دو برابر کرده و خطر آتش‌سوزی را از بین می‌برد. این مهم‌ترین جهش در ذخیره‌سازی انرژی از زمان تجاری‌سازی باتری لیتیوم-یون در دهه ۱۹۹۰ است.[5]

اگر منتظر خرید یک خودروی برقی هستید که بتواند ۹۰۰ کیلومتر (۶۰۰ مایل) رانندگی کند و در ده دقیقه شارژ شود، این همان فناوری است که منتظرش بودید. اما در حالی که شیمی این باتری‌ها در آزمایشگاه بی‌نقص عمل می‌کند، تولید این سلول‌ها در مقیاس تجاری نیازمند حل یک مشکل مکانیکی بزرگ است: حفظ تماس کامل بین مواد جامد در حین انبساط و انقباض هنگام استفاده.[3]

برای درک اینکه چرا این کار بسیار دشوار است، باید به نحوه خرابی باتری‌های لیتیوم-یون فعلی نگاه کنید. هر باتری سه بخش اصلی دارد: کاتد (سمت مثبت)، آند (سمت منفی) و الکترولیت (واسطه میانی).[1]

در باتری‌های لیتیوم-یون امروزی، الکترولیت یک حلال مایع است. هنگامی که باتری را شارژ می‌کنید، یون‌های لیتیوم از طریق این مایع از کاتد به آند شناور می‌شوند. هنگامی که از باتری استفاده می‌کنید، آنها برمی‌گردند. مایع در انتقال یون‌ها بسیار کارآمد است و تضمین می‌کند که باتری می‌تواند هنگام فشار دادن پدال گاز، برق را به سرعت تأمین کند.[5]

با این حال، این مایع به شدت قابل اشتعال است. اگر باتری بیش از حد گرم شود یا در تصادف سوراخ شود، حلال می‌تواند مشتعل شده و باعث یک رویداد فرار حرارتی شود که خاموش کردن آن بسیار دشوار است. این نقص ایمنی اساسی، نحوه مهندسی بسته‌های باتری فعلی را دیکته می‌کند و نیازمند سیستم‌های خنک‌کننده سنگین و پوشش محافظ است.[1]

علاوه بر این، مایع، موادی را که می‌توانیم برای آند استفاده کنیم، محدود می‌کند. در حال حاضر، آندها از گرافیت ساخته می‌شوند که مانند یک اسفنج عمل کرده و یون‌های لیتیوم را به طور ایمن جذب می‌کند. گرافیت سنگین است و فضای زیادی را اشغال می‌کند، اما از تشکیل "دندریت‌ها"—ساختارهای سوزنی‌شکل میکروسکوپی که از لیتیوم خالص رشد می‌کنند و می‌توانند جداکننده داخلی باتری را سوراخ کرده و باعث اتصال کوتاه شوند—جلوگیری می‌کند.[7]

انقلاب حالت جامد از اینجا شروع می‌شود. با جایگزینی الکترولیت مایع با یک لایه جامد—که معمولاً سرامیک، شیشه یا پلیمر است—مهندسان یک مانع فیزیکی ایجاد می‌کنند که برای سوراخ شدن توسط دندریت‌ها بسیار سخت است. الکترولیت جامد هم به عنوان بزرگراه یون‌ها و هم به عنوان جداکننده ساختاری عمل می‌کند.

از آنجایی که الکترولیت جامد مانع دندریت‌ها می‌شود، تولیدکنندگان دیگر نیازی به اسفنج سنگین گرافیت ندارند. آنها می‌توانند از آندی استفاده کنند که از فلز لیتیوم خالص ساخته شده است. این تغییر به تنهایی، حجم و وزن مرده زیادی را از سلول حذف می‌کند.[7]

تغییر به آند فلز لیتیوم، هدف نهایی شیمی باتری است. این کار اندازه و وزن باتری را به شدت کاهش می‌دهد در حالی که انرژی بسیار بیشتری را در خود نگه می‌دارد. به این ترتیب خودروسازان قصد دارند برد خودروهای برقی را بدون سنگین‌تر کردن آنها دو برابر کنند، یا بردهای فعلی را حفظ کرده و اندازه باتری را نصف کنند.[2]

با این حال، انتخاب ماده جامد مناسب برای الکترولیت، یک مصالحه مهندسی بزرگ است. سه نامزد اصلی وجود دارد و هر کدام دارای یک نقص اساسی هستند که محققان در تلاشند قبل از شروع تولید انبوه آن را حل کنند.[3]

الکترولیت‌های جامد مبتنی بر سولفید در حال حاضر محبوب‌ترین انتخاب هستند زیرا یون‌ها را تقریباً به سرعت مایعات هدایت می‌کنند. این بدان معناست که آنها می‌توانند شارژ فوق‌سریع را پشتیبانی کنند. متأسفانه، سولفیدها با رطوبت واکنش ضعیفی نشان می‌دهند و در صورت قرار گرفتن در معرض هوا، گاز سمی سولفید هیدروژن تولید می‌کنند، که نیازمند محیط‌های تولیدی گران‌قیمت و کاملاً خشک است.[6]

الکترولیت‌های مبتنی بر اکسید، که اساساً سرامیک‌های پیشرفته هستند، فوق‌العاده پایدار و ایمن‌اند. آنها با هوا واکنش نمی‌دهند و می‌توانند ولتاژهای بالا را تحمل کنند. اما سرامیک‌ها شکننده هستند. تولید آنها در ورق‌های فوق‌العاده نازک و انعطاف‌پذیر مورد نیاز برای بسته‌های باتری مدرن دشوار است و اغلب تحت فشار ترک می‌خورند.[2]

الکترولیت‌های پلیمری انعطاف‌پذیر، آسان برای تولید و ارزان هستند. مشکل این است که آنها یون‌ها را در دمای اتاق به خوبی هدایت نمی‌کنند. یک باتری حالت جامد پلیمری اغلب نیاز دارد تا دمای آن تا ۶۰ درجه سانتیگراد (۱۴۰ فارنهایت) گرم شود تا به درستی کار کند، که انرژی را تخلیه می‌کند و نیازمند سیستم‌های مدیریت حرارتی پیچیده است.[1]

فراتر از انتخاب مواد، بزرگترین مانع برای تجاری‌سازی، "مقاومت بین‌سطحی" است. در یک باتری مایع، مایع به طور طبیعی به هر منفذ میکروسکوپی کاتد و آند نفوذ می‌کند و تماس کامل را برای عبور یون‌ها تضمین می‌کند.[6]

در یک باتری حالت جامد، شما دو جامد سخت را به هم فشار می‌دهید. در سطح میکروسکوپی، سطوح ناهموار هستند. اگر الکترولیت جامد و الکترودها تماس کامل و هم‌سطح را حفظ نکنند، یون‌ها نمی‌توانند از شکاف عبور کنند و باتری از کار می‌افتد.[7]

این مشکل با استفاده از باتری بدتر می‌شود. هنگامی که باتری شارژ و دشارژ می‌شود، آند و کاتد به صورت فیزیکی منبسط و منقبض می‌شوند. در طول صدها چرخه، این حرکت "تنفس" می‌تواند باعث ترک خوردن الکترولیت جامد یا جدا شدن آن از الکترودها شده و ظرفیت باتری را از بین ببرد.[3]

برای مقابله با این مشکل، نمونه‌های اولیه حالت جامد فعلی نیازمند فشار خارجی بالا هستند—به معنای واقعی کلمه، سلول‌های باتری با صفحات فلزی سنگین به هم فشرده می‌شوند تا لایه‌ها مجبور به حفظ تماس شوند. این وزن اضافی، دستاوردهای چگالی انرژی آند فلز لیتیوم را کاهش می‌دهد و یک حلقه مهندسی ناامیدکننده ایجاد می‌کند.[4]

با وجود این چالش‌ها، این انتقال اجتناب‌ناپذیر است. مزایای چرخه عمر، از کاهش خطر آتش‌سوزی گرفته تا کاهش مصرف کلی مواد در هر کیلووات ساعت، حالت جامد را به گام بعدی قطعی تبدیل می‌کند. در حالی که پذیرش انبوه خودروهای برقی ممکن است هنوز سال‌ها طول بکشد، مکانیک اساسی این فناوری قبلاً اثبات شده است و نبرد را از کشف شیمیایی به مهندسی مکانیک و مقیاس تولید منتقل می‌کند.[4]