شیمی پنهانی که باتری‌های لیتیوم-یون را می‌کشد: رشد SEI و آبکاری چگونه کار می‌کنند؟

یک باتری استاندارد ۶۰ کیلووات ساعتی خودروی الکتریکی تقریباً ۱.۵ تا ۲.۰ درصد از کل ظرفیت انرژی خود را در هر سالی که در جاده می‌گذراند از دست می‌دهد؛ این کاهش مستقیماً به صورت کاهش مسافت قابل پیمایش اندازه‌گیری می‌شود. برای خودرویی که با ۳۰۰ مایل برد از خط تولید خارج می‌شود، این به معنای از دست دادن حدود پنج تا شش مایل از قابلیت پیمایش در هر ۱۲ ماه است. در لوازم الکترونیکی مصرفی، این محاسبات حتی شدیدتر است: یک باتری معمولی تلفن هوشمند ظرفیت خود را تا ۲۰ درصد در عرض ۵۰۰ چرخه شارژ از دست می‌دهد، و دستگاهی که به راحتی یک روز کامل دوام می‌آورد، پس از تنها دو سال نیاز به شارژ مجدد در اواسط روز پیدا می‌کند.[2][7]

تولیدکنندگان سخت‌افزار به طور معمول طول عمر باتری را به عنوان یک شمارش معکوس ساده از «چرخه‌های شارژ» بازاریابی می‌کنند، که نشان‌دهنده یک فرآیند فرسایش مکانیکی شبیه به ساییده شدن آج تایر است. واقعیت درون سلول کاملاً شیمیایی است. هر بار که یک باتری لیتیوم-یون شارژ و دشارژ می‌شود، درگیر یک جنگ میکروسکوپی بین دو مکانیسم تخریب متمایز است: ضخیم شدن مداوم لایه مرزی الکترولیت جامد (SEI) و شروع ناگهانی و مخرب آبکاری لیتیوم فلزی.[1][7]

برای درک اینکه واقعاً چه چیزی باتری را از بین می‌برد، بهتر است به معماری سلول نگاه کنیم. یک باتری استاندارد لیتیوم-یون شامل یک کاتد (الکترود مثبت، معمولاً اکسید فلز لیتیوم)، یک آند (الکترود منفی، تقریباً همیشه ساخته شده از گرافیت) و یک الکترولیت مایع است که به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهد بین آن‌ها شناور شوند. هنگامی که دستگاهی را به برق وصل می‌کنید، جریان الکتریکی یون‌های لیتیوم را از کاتد، از طریق مایع، و به ساختار لایه‌ای آند گرافیتی هدایت می‌کند – فرآیندی که «درون‌لایه شدن» (Intercalation) نامیده می‌شود.