به گزارش نوید صنعت نیوز، پژوهشگران در یک مقاله منتشر شده در مجله Nature Energy گزارش داده‌اند که رشد ساختارهای شبیه به خزه یا درختی از فلز لیتیوم روی الکترودهای باتری عامل اصلی کاهش عملکرد باتری نیست، بلکه یک پدیده جانبی است.

در این مطالعه، دانشمندان آمریکایی برای اولین بار میزان هدایت الکتریکی در مرز بین الکترود جامد و الکترولیت مایع درون یک باتری قابل شارژ را به طور مستقیم اندازه‌گیری کرده‌اند.

این مطالعه راز طولانی مدت اینکه چگونه لایه‌ای به نام مرز الکترولیت جامد (SEI) در حین کار باتری از نظر الکتریکی عمل می‌کند را حل کرده است. یافته‌های این پژوهش دارای اثرات مستقیم برای طراحی باتری‌های با دوام‌تر با تنظیم خواص فیزیکی و الکتروشیمیایی الکترولیت مایع است که اغلب به عنوان خون باتری در حال کار شناخته می‌شود.

چونگ‌مین وانگ، یکی از همکاران آزمایشگاه ملی شمال غربی ایالات متحده که این مطالعه را همراه با دانشگاه تگزاس و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی انجام داده‌اند، در یک خبر رسانه‌ای گفت: «میزان بالاتر هدایت الکتریکی باعث ایجاد یک لایه SEI ضخیم‌تر با ساختارهای پیچیده از فلز لیتیوم می‌شود که در نهایت منجر به عملکرد ضعیف‌تر باتری می‌گردد».

وانگ می‌گوید که پژوهشگران باتری بر روی این لایه SEI که نازک‌تر از یک ورقه کاغذ است، تمرکز می‌کنند، زیرا این لایه نقش بزرگی در عملکرد باتری دارد. این لایه پوششی که شبیه به موزاییک است، به طور انتخابی اجازه می‌دهد که یون‌های لیتیوم باردار در طول تخلیه عبور کنند و حرکت الکترون‌هایی را کنترل می‌کند که منبع قدرت باتری را تأمین می‌کنند. وقتی باتری‌ها جدید هستند، لایه SEI در چرخه شارژ اول شکل می‌گیرد و در شرایط ایده‌آل طی عمر مورد انتظار باتری پایدار می‌ماند. اما نگاهی به داخل یک باتری قابل شارژ پیر شده نشان می‌دهد که تجمع زیادی از فلز لیتیوم جامد روی الکترودهای منفی وجود دارد. پژوهشگران باتری فرض کرده‌اند که این تجمع عامل ایجاد کاهش عملکرد است. بخشی از دلیل این حدس‌زنی عدم توانایی انجام اندازه‌گیری‌هایی برای آزمایش علت و معلول بوده است.

وانگ و همکارانش از PNNL، دانشگاه تگزاس و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی این مشکل را با توسعه یک روش جدید برای اندازه‌گیری مستقیم هدایت الکتریکی در سراسر لایه SEI در یک سیستم آزمایشی حل کردند.

این تیم با ترکیب میکروسکوپ الکترونی انتقالی با دستکاری نانومتری سوزن‌های فلزی میکروساخته شده درون میکروسکوپ، خواص الکتریکی لایه SEI را بر روی مس یا فلز لیتیوم با چهار نوع الکترولیت مختلف اندازه‌گیری کردند. اندازه‌گیری‌های این گروه نشان داد که با افزایش ولتاژ در باتری، لایه SEI در همه موارد الکترون‌ها را نشت می‌دهد و رفتاری شبیه به نیمه‌رسانا دارد.
پس از ثبت این رفتار نیمه‌رسانا که قبلاً هرگز به طور مستقیم مشاهده نشده بود، آن‌ها می‌خواستند بفهمند که کدام مؤلفه‌های پیچیده شیمیایی لایه SEI مسئول نشت الکترون هستند.

پژوهشگران با استفاده از تکنیک‌های تحلیلی پیشرفته مانند میکروسکوپ الکترونی اسکنینگ، میکروسکوپ الکترونی انتقالی و توزیع انرژی اشعه ایکس، موفق شدند که ترکیب شیمیایی لایه SEI را در سطح میکرومتری و نانومتری بررسی کنند.

آن‌ها کشف کردند که میزان هدایت الکتریکی در لایه SEI به نوع الکترولیت مایع بستگی دارد. برخی از الکترولیت‌ها باعث ایجاد یک لایه SEI با موادی مانند لیتیوم اکسید، لیتیوم کربنات و لیتیوم فلورید می‌شوند که هدایت الکتریکی بالایی دارند. در حالی که برخی دیگر از الکترولیت‌ها باعث ایجاد یک لایه SEI با موادی مانند لیتیوم هیدروکسید، لیتیوم نیترات و لیتیوم سولفات می‌شوند که هدایت الکتریکی پایینی دارند.

این یافته‌ها نشان می‌دهند که با انتخاب الکترولیت‌هایی که لایه SEI با هدایت الکتریکی پایین‌تری ایجاد می‌کنند، می‌توان عملکرد باتری را بهبود بخشید. این کار باعث می‌شود که الکترون‌ها کمتر از لایه SEI نشت کنند و بیشتر از الکترود جامد به الکترود مایع منتقل شوند. این انتقال الکترون‌ها مسئول تولید جریان الکتریکی در باتری است. همچنین، با کاهش نشت الکترون‌ها، میزان تجمع فلز لیتیوم روی الکترودها کاهش می‌یابد و در نتیجه عمر باتری افزایش می‌یابد.

وانگ می‌گوید که این مطالعه یک قدم مهم در راه فهم بهتر مکانیسم‌های پایه‌ای باتری‌های لیتیوم-ایون است. او افزود: «این مطالعه می‌تواند به ما کمک کند که الکترولیت‌های جدیدی طراحی کنیم که لایه SEI با خواص مطلوب‌تری ایجاد کنند. این کار می‌تواند به بهبود عملکرد و ایمنی باتری‌های لیتیوم-ایون که در خودروهای الکتریکی، تلفن‌های همراه و دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شوند، منجر شود».