تحول صنعت خودرو‌های برقی با ماده سازنده خمیردندان

به گزارش خبرنگار فناوری خبرگزاری علم و فناوری آنا، دانشمندان در آزمایشگاه ملی آرگان نوعی الکترولیت فلوراید کشف کردند که عملکرد باتری‌های نسل بعدی را فراتر از لیتیوم - یون بهبود می‌بخشد. این الکترولیت جدید چگالی انرژی را افزایش می‌دهد، طول عمر باتری را طولانی می‌کند و به طور بالقوه صنعت خودرو‌های الکتریکی را متحول می‌کند.

این الکترولیت جدید فلوراید دار، زمینه را برای ساخت باتری‌های با کارایی بالا و ماندگاری طولانی فراهم می‌کند.

بسیاری از خمیردندان‌ها برای محافظت از دندان در برابر پوسیدگی حاوی فلوراید سدیم، ترکیبی از فلوئور، هستند. با این حال، ترکیبات حاوی فلوئور کاربرد‌های غیرمنتظره دیگری نیز دارند.

محققان آزمایشگاه ملی آرگان در وزارت انرژی آمریکا یک الکترولیت فلوراید را شناسایی کردند که می‌تواند مانع از کاهش عملکرد باتری‌های آینده شود.
«ژنگ چنگ (جان) ژانگ» «Zhengcheng (John) Zhang»، سرپرست گروه تحقیقاتی بخش علوم و مهندسی شیمی آرگان، می‌گوید: «نسل جدید هیجان انگیزی از انواع باتری برای وسایل نقلیه الکتریکی فراتر از لیتیوم یون در راه است».

ترکیبات شیمیایی باتری‌های غیر لیتیوم یونی در مقایسه با لیتیوم یون، دو یا چند برابر بیشتر انرژی ذخیره شده در حجم یا وزن معین را ارائه می‌دهند.
این باتری‌ها می‌توانند انرژی مورد نیاز خودرو‌ها را برای مسافت‌های طولانی تری تامین کنند، حتی چشم انداز تامین سوخت کامیون‌ها و هواپیما‌ها برای سفر‌های طولانی‌تر در آینده نیز وجود دارد. انتظار می‌رود استفاده گسترده از چنین باتری‌هایی به حل مشکل تغییرات اقلیم کمک کند. اما یک مشکل مهم وجود دارد: چگالی انرژی بالای آن‌ها با شارژ و تخلیه شارژ مکرر به سرعت کاهش می‌یابد.

یکی از مدعیان اصلی باتری‌های قدرتمند، دارای یک آند (الکترود منفی) ساخته شده از فلز لیتیوم به جای گرافیت است که معمولاً در باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌شود و از این رو باتری "لیتیوم فلزی" نامیده می‌شود.

کاتد (الکترود مثبت) یک اکسید فلزی است که حاوی نیکل، منگنز و کبالت (NMC) است. در حالی که می‌تواند بیش از دو برابر چگالی انرژی ممکن با باتری لیتیوم یونی ذخیره کند، اما این عملکرد فوق العاده به سرعت در کمتر از صد دوره شارژ – تخلیه شارژ از بین می‌رود.

دانش پژوهان راه حل را در تغییر الکترولیت دیدند؛ مایعی که از طریق آن یون‌های لیتیوم بین کاتد و آند حرکت می‌کنند تا شارژ و تخلیه را انجام دهد.
در باتری‌های فلزی لیتیوم، الکترولیت مایعی است که از نمک حاوی لیتیوم حل شده در یک حلال تشکیل شده است. منشأ مشکل چرخه-عمر کوتاه این است که الکترولیت یک لایه محافظ کافی بر روی سطح آند در طول چند چرخه اول تشکیل نمی‌دهد.

این لایه که به آن فاز میانی الکترولیت جامد (SEI) نیز می‌گویند، مانند یک محافظ عمل می‌کند و به یون‌های لیتیوم اجازه می‌دهد آزادانه از آند عبور کرده و به ترتیب باتری را شارژ و تخلیه کنند.

این گروه یک حلال فلوراید جدید کشف کردند که یک لایه محافظ قوی را برای صد‌ها چرخه حفظ می‌کند. یک جزء فلوئوردار با بار مثبت (کاتیون) را با یک جزء فلوئوردار متفاوت که بار منفی دارد (آنیون) جفت می‌کند. این ترکیب همان چیزی است که دانشمندان آن را مایع یونی می‌نامند؛ مایعی متشکل از یون‌های مثبت و منفی.

ژانگ می‌گوید: «تفاوت اصلی در الکترولیت جدید ما، جایگزینی فلوئور به جای اتم‌های هیدروژن در ساختار حلقه مانند بخش کاتیونی مایع یونی است. همین امر، موجب تفاوت در حفظ عملکرد بالا برای صد‌ها چرخه در یک سلول فلزی لیتیوم آزمایشی شد.»

الکترولیت جدید این تیم مزایای بسیاری دارد: کم هزینه است، زیرا می‌توان آن را با خلوص و عملکرد بسیار بالا در یک مرحله ساده به جای چند مرحله ساخت. سازگار با محیط زیست است، زیرا از حلال بسیار کمتری استفاده می‌کند که فرار است و می‌تواند آلاینده‌ها را در محیط آزاد کند و ایمن‌تر است، زیرا قابل اشتعال نیست.

ژانگ می‌گوید: «باتری‌های فلزی لیتیوم با الکترولیت کاتیونی فلوئوردار ما می‌توانند صنعت خودرو‌های الکتریکی را به طور قابل توجهی متحول کند و فواید این الکترولیت بدون شک به انواع دیگر سیستم‌های باتری پیشرفته فراتر از لیتیوم یون گسترش می‌یابد.»