الکترولیت‌های نسل بعدی برای باتری‌های لیتیوم فلزی با چگالی انرژی بالا خواهند بود+عکس

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از (سای تک دیلی)، واکنش پذیری بالای فلز لیتیوم باعث کاهش الکترولیت در سطح آن می‌شود و در نتیجه منجر به تخریب عملکرد باتری لیتیوم فلزی می‌شود. برای غلبه بر این مشکل، دانشمندان الکترولیت‌های کاربردی و افزودنی‌های الکترولیت را برای تشکیل یک لایه محافظ سطحی ایجاد کرده‌اند که بر ایمنی و کارایی باتری‌های لیتیومی تأثیر می‌گذارد، اما این هنوز برای جلوگیری از برخی واکنش‌های جانبی شدید کارآمد نبود.

در مطالعه حاضر، محققان فلز لیتیوم و الکترولیت را با طراحی الکترولیت به منظور ارائه پتانسیل افزایش اکسیداسیون-کاهش فلز لیتیوم تثبیت کردند، بنابراین در تضعیف فعالیت واکنش فلز لیتیوم از نظر ترمودینامیکی موفق شدند که می‌تواند به دستیابی به عملکرد بهتر باتری کمک کند.

یافته‌ها پتانسیل بالایی برای افزایش چگالی انرژی باتری‌های لیتیومی دارند.

مکانیزم جدیدی برای تثبیت الکترود و الکترولیت فلز لیتیوم در باتری‌های فلزی لیتیوم توسط تیمی از محققان کشف شده است. این مکانیسم جدید به رویکرد سنتی جنبشی بستگی ندارد. این پتانسیل را دارد که چگالی انرژی باتری را به میزان قابل توجهی بهبود بخشد. (مقدار انرژی ذخیره شده نسبت به وزن یا حجم)

باتری‌های فلزی لیتیوم یک فناوری امیدوارکننده با پتانسیل پاسخگویی به نیاز‌های سیستم‌های ذخیره‌سازی با چگالی بالا هستند. با این حال، به دلیل تجزیه بی وقفه الکترولیت در این باتری ها، بازده کولمبی آن‌ها پایین است. بازده کولمبی که بازده جریان نیز نامیده می‌شود، کارایی انتقال الکترون‌ها در باتری را توصیف می‌کند؛ بنابراین باتری با راندمان کولمبی بالا عمر چرخه باتری بیشتری دارد.

راندمان کولمبیک افزایش یافته (CE، محور عمودی)، را می‌توان با پتانسیل کاهش اکسیداسیون افزایش یافته فلز لیتیوم (ELi/Li+، محور افقی) به دست آورد، که نیروی محرکه ترمودینامیکی را برای کاهش الکترولیت در سطح فلز لیتیوم کاهش می‌دهد. ورودی نشان دهنده منحنی‌های کاهش اکسیداسیون ترکیب فروسن (Fc/Fc+) است که برای تخمین تغییر پتانسیل اکسیداسیون-کاهش فلز لیتیوم در الکترولیت‌های داده شده معرفی شده است. با مقایسه پتانسیل کاهش اکسیداسیون فلز لیتیوم در ۷۴ الکترولیت مختلف، محققان یک ارتباط بین پتانسیل کاهش اکسیداسیون و بازده کولمبی را مشاهده کردند. بر اساس این یافته‌ها، الکترولیت‌های متعددی که کارایی کولمبیک بالایی (تا ۹۹.۴ درصد) را ممکن می‌سازند، به راحتی ساخته شده‌اند.

این اولین مقاله‌ای است که پتانسیل الکترود و ویژگی‌های ساختاری مرتبط را به عنوان معیار‌هایی برای طراحی الکترولیت‌های باتری لیتیوم فلزی پیشنهاد می‌کند که با معرفی علم داده همراه با محاسبات محاسباتی استخراج می‌شوند.

آتسو یامادا، استاد گروه مهندسی سیستم شیمی در دانشگاه توکیو، گفت: بر اساس یافته‌های ما، چندین الکترولیت که کارایی کولمبی بالایی را ممکن می‌سازند، به راحتی ایجاد شده‌اند. کار این تیم پتانسیل ایجاد فرصت‌های جدید در طراحی الکترولیت‌های نسل بعدی برای باتری‌های فلزی لیتیوم را دارد.

در باتری‌های لیتیوم یونی، یون لیتیوم از طریق الکترولیت در هنگام شارژ از الکترود مثبت به الکترود منفی حرکت می‌کند و در هنگام تخلیه به عقب برمی‌گردد. با معرفی الکترود‌های با چگالی انرژی بالا، چگالی انرژی باتری را می‌توان بهبود بخشید. در این زمینه، مطالعات زیادی در دهه‌های گذشته برای تغییر الکترود منفی گرافیت به فلز لیتیوم انجام شده است.

با این حال، فلز لیتیوم واکنش پذیری بالایی دارد که باعث کاهش الکترولیت در سطح آن می‌شود. به همین دلیل، الکترود فلزی لیتیوم راندمان کولمبی ضعیفی را نشان می‌دهد.

اهمیت نسبی توصیفگر‌ها برای پتانسیل اکسیداسیون-کاهش فلز لیتیوم از تحلیل رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLS) بدست آمد. همبستگی بین مقادیر واقعی پیش‌بینی‌شده و مشاهده‌شده پتانسیل اکسیداسیون-کاهش فلز لیتیوم به خوبی برازش می‌کند، که به‌عنوان یک شکل داخلی همراه با ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) نشان داده شده است. داده‌های متعدد مربوط به ساختار محلول و خواص فیزیکوشیمیایی الکترولیت‌ها توسط محاسبات محاسباتی MD و DFT جمع‌آوری شد و تأثیر آن‌ها بر پتانسیل اکسیداسیون-کاهش فلز لیتیوم به صورت کمی با تجزیه و تحلیل رگرسیون مبتنی بر یادگیری ماشین تحلیل شده است. یک عامل خاص، وضعیت هماهنگی Li + و آنیون FSI-، به عنوان مهمترین توصیف کننده برای تعیین پتانسیل اکسیداسیون-کاهش فلز لیتیوم نشان داده شده است.

برای غلبه بر این مشکل، دانشمندان الکترولیت‌های کاربردی و افزودنی‌های الکترولیت را توسعه داده اند که یک لایه محافظ سطحی را تشکیل می‌دهند. این فاز الکترولیت جامد بر ایمنی و کارایی باتری‌های لیتیومی تأثیر می‌گذارد.

لایه محافظ سطح از تماس مستقیم بین الکترولیت و الکترود فلز لیتیوم جلوگیری می‌کند و در نتیجه کاهش الکترولیت را به صورت جنبشی کند می‌کند. با این حال، تا کنون، دانشمندان به طور کامل همبستگی بین فاز بین فاز الکترولیت جامد و بازده کولمبی را درک نکرده بودند.

دانشمندان می‌دانند که اگر پایداری فاز میانی الکترولیت جامد را بهبود بخشند، می‌توانند تجزیه الکترولیت را کاهش دهند و بازده کولمبی باتری افزایش می‌یابد. اما حتی با وجود فناوری‌های پیشرفته، دانشمندان آنالیز مستقیم شیمی بین فاز الکترولیت جامد را دشوار می‌دانند.

بسیاری از مطالعات در مورد اینترفاز الکترولیت جامد با روش‌های غیرمستقیم انجام شده است. این مطالعات شواهد غیرمستقیم ارائه می‌دهند، بنابراین توسعه فلز لیتیوم تثبیت‌کننده الکترولیت را که منجر به بازده کولمبی بالا می‌شود، دشوار می‌سازد.

تیم تحقیقاتی تعیین کردند که اگر بتوانند پتانسیل کاهش اکسیداسیون فلز لیتیوم را در یک سیستم الکترولیت خاص افزایش دهند، می‌توانند نیروی محرکه ترمودینامیکی برای کاهش الکترولیت را کاهش دهند و در نتیجه به بازده کولمبی بالاتری دست یابند. این استراتژی به ندرت در ساخت باتری‌هایی با فلز لیتیوم به کار گرفته شده بود.

آتسو یامادا گفت: پتانسیل کاهش اکسیداسیون ترمودینامیکی فلز لیتیوم، که بسته به الکترولیت‌ها به طور قابل توجهی متفاوت است، یک عامل ساده، اما نادیده گرفته شده است که بر عملکرد باتری فلزی لیتیوم تأثیر می‌گذارد.

این تیم پتانسیل کاهش اکسیداسیون فلز لیتیوم را در ۷۴ نوع الکترولیت مورد مطالعه قرار داد. محققان ترکیبی به نام فروسن را به عنوان استاندارد داخلی توصیه شده توسط IUPAC (اتحادیه بین‌المللی شیمی محض و کاربردی) برای پتانسیل‌های الکترود، وارد تمام الکترولیت‌ها کردند.

این تیم ثابت کرد که بین پتانسیل کاهش اکسیداسیون فلز لیتیوم و بازده کولمبیک همبستگی وجود دارد. آن‌ها راندمان کولمبی بالا را با پتانسیل افزایش اکسیداسیون کاهش فلز لیتیوم به دست آوردند.

با نگاهی به کار‌های آینده، هدف تیم تحقیقاتی این است که مکانیسم منطقی پشت تغییر پتانسیل اکسیداسیون-کاهش را با جزئیات بیشتر آشکار کند. ما الکترولیت را طراحی خواهیم کرد که بازده کولمبی بیش از ۹۹.۹۵ ٪ را تضمین می‌کند.

راندمان کولمبی فلز لیتیوم حتی با الکترولیت‌های پیشرفته کمتر از ۹۹ ٪ است. با این حال، حداقل ۹۹.۹۵ درصد برای تجاری سازی باتری‌های مبتنی بر فلز لیتیوم مورد نیاز است.