شرکت فناوری سئول، یک استراتژی جدید برای شارژ فوق‌العاده سریع باتری‌ها ارائه می‌دهد تا از رسوب مضر لیتیوم جلوگیری کند.

پیشرفت سریع وسایل نقلیه الکتریکی و دستگاه‌های الکترونیکی پرقدرت، تقاضا برای باتری‌های لیتیوم-یونی با شارژ فوق‌العاده سریع را افزایش داده است. با این وجود، باتری‌های قابل شارژ لیتیوم-یونی فعلی در طول فرآیندهای شارژ سریع دچار افت شدید توان می‌شوند و حتی ممکن است منجر به خرابی‌های فاجعه‌بار شوند که خطرات ایمنی را افزایش می‌دهد. این امر عمدتاً از بی‌ثباتی الکتروشیمیایی در سطح مشترک آند-الکترولیت ناشی می‌شود که باعث رسوب مضر فلز-لیتیوم روی سطح باتری و پایداری حرارتی ضعیف می‌شود.
در سال‌های اخیر، مواد آند ولتاژ بالا به جایگزین‌های بسیار امیدوارکننده‌ای برای جلوگیری از رسوب بیش از حد لیتیوم و تشکیل لایه‌های ناپایدار بین فازی الکترولیت جامد (SEI) تبدیل شده‌اند. با وجود این نقاط قوت، مواد پیشرفته هنوز هم به دلیل رسانایی یونی و پایداری حرارتی نامطلوب، که باعث تضعیف توان خروجی و قابلیت اطمینان درازمدت می‌شود، محدود هستند.

طبق گزارش رسانه‌های خارجی، برای حل این مشکلات، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشیار دونگ‌ووک هان در دانشگاه ملی علوم و فناوری سئول، یک ماده آند لیتیوم تیتانیوم فسفات خارج از استوکیومتری (OS) با ساختاری از نوع NASICON توسعه داده‌اند. این ماده به دلیل پایداری ساختاری و حرارتی استثنایی شناخته شده است. این طراحی می‌تواند تبدیل فاز خودبه‌خودی را در زیر سطح ذرات ماده فعال القا کند تا از محدودیت‌های جنبشی عبور کرده و به عملکرد شارژ سریع پایدار دست یابد.
یافته‌های پژوهشی مرتبط در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.

مدولاسیون سطحی برای انتقال یون شتاب‌دار

لیتیوم تیتانیوم فسفات (LTP) دارای ساختاری از نوع رسانای سدیم-ابر-یونی (NASICON) است که از پایداری ساختاری و حرارتی برجسته و همچنین کانال‌های انتشار سریع یون لیتیوم برخوردار است. محققان برای بهره‌برداری از پتانسیل کامل آن، یک استراتژی طراحی خارج از استوکیومتری اتخاذ کردند و عمداً نسبت فسفر (P) به تیتانیوم (Ti) را افزایش دادند. چنین ترکیب فاقد تیتانیوم، دامنه‌های فسفات تیتانیوم (TPO) را نزدیک به سطح ذرات LTP ایجاد می‌کند.
این نواحی غنی از TPO به عنوان کانال‌های جنبشی با راندمان بالا عمل می‌کنند و مانع انرژی برای انتقال یون لیتیوم از طریق فصل مشترک آند-الکترولیت را کاهش می‌دهند و مسیرهای انتقال سریع یون را در نزدیکی سطوح ذرات ایجاد می‌کنند. علاوه بر این، پیوندهای بسیار انعطاف‌پذیر P-O-P در چارچوب TPO، انعطاف‌پذیری ساختاری را برای سازگاری با تغییرات حجم در طول چرخه‌های شارژ سریع فراهم می‌کنند و از ساختار نوع NASICON در برابر آسیب‌های برگشت‌ناپذیر محافظت می‌کنند.

عملکرد قوی در شرایط شارژ سریع

بر این اساس، در آزمایش‌های قابلیت شارژ سریع، که شاخص حیاتی ارزیابی ظرفیت شارژ سریع است، آند کامپوزیتی OS-LTP-کربن (OS-LTP/C) به میزان قابل توجه ۸۶٪ از ظرفیت اولیه خود را تحت نرخ شارژ ۱۰C حفظ کرد، در حالی که ظرفیت آند کامپوزیتی LTP/C اولیه به شدت کاهش یافت.
این ماده همچنین پس از بیش از ۲۵۰ چرخه، پایداری چرخه‌ای عالی را ارائه می‌دهد. پیکربندی‌های تمام سلولی، عملکرد نرخ عالی و سازگاری گسترده‌ای را با کاتدهای ولتاژ بالا نشان می‌دهند.

مسیری گسترده‌تر به سوی باتری‌های ایمن‌تر

هان خاطرنشان کرد: «روش ما الگوی کاملاً جدیدی برای طراحی باتری با شارژ سریع ایجاد می‌کند و می‌تواند به طور گسترده در چندین سیستم ذخیره‌سازی انرژی آینده، از جمله باتری‌های کاملاً جامد، اعمال شود. این استراتژی طراحی می‌تواند با کوتاه کردن زمان شارژ، بهبود ایمنی و ارائه پشتیبانی برای شبکه‌های برق انرژی تجدیدپذیر، وسایل نقلیه الکتریکی را کاربردی‌تر کند.»
در نتیجه، این استراتژی طراحی خارج از استوکیومتری، یکی از موانع اصلی پیش روی باتری‌های قابل شارژ را برطرف می‌کند و رویکردی امیدوارکننده برای فناوری ذخیره‌سازی انرژی با شارژ فوق‌العاده سریع و آماده برای تجارت ارائه می‌دهد.