محققان موسسه علم و فناوری DGIST در کره جنوبی یک الکترولیت پلیمری جامد سه لایه حاوی باتری لیتیوم-یونی ساخته‌اند که در مقابل آتش گرفتن و انفجار مقاوم است و می‌تواند خود را خاموش کند.

در بیانیه مطبوعاتی محققان این موسسه آمده است که این باتری همچنین طول عمر بهتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون معمولی دارد.

به نقل از آی‌ای، باتری‌های لیتیوم-یون(Li-ion) یک جزء حیاتی از تامین انرژی امروزه زندگی ما هستند و ما را در گذار از سوخت‌های فسیلی به سمت استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و بدون کربن همراهی می‌کنند.

این باتری‌ها که از لیتیوم که به وفور در دسترس است، ساخته شده‌اند، پرمصرف‌ترین گزینه ذخیره‌سازی انرژی را تا به امروز در اختیار ما قرار داده‌اند و می‌توانند انرژی همه چیز را از تلفن هوشمند گرفته تا خودروهای الکتریکی و فراتر از آن تامین کنند.

با این حال، باتری‌های لیتیوم-یونی از الکترولیت‌های مایع با مواد آلی استفاده می‌کنند که در خطر آتش گرفتن هستند. جداکننده‌های مورد استفاده برای جداسازی الکترودها نیز مستعد آسیب هستند و می‌توانند منجر به اتصال کوتاه و انفجار شوند. این موضوع نگرانی‌هایی را در مورد استفاده از بسته‌های باتری لیتیوم-یونی در راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ ایجاد کرده است.

اینجاست که فناوری‌های باتری جایگزین می‌توانند کمک کنند.

باتری‌های پلیمری جامد

محققان روی سیستم‌های الکترولیت مبتنی بر پلیمر جامد کار کرده‌اند که در برابر آتش و انفجار مقاوم هستند، اما تجاری‌سازی این فناوری دشوار است.

باتری‌های حالت جامد نسبت به همتایان پلیمری مایع خود عملکرد نسبتاً ضعیفی دارند، زیرا دستیابی به تماس کامل بین الکترودها و الکترولیت‌ها دشوار است. از آنجایی که باتری در طول استفاده تحت شارژ و تخلیه شارژ قرار می‌گیرد، یون‌های لیتیوم، دندریت‌های فلزی تیز یا ساختارهای درخت‌مانندی را تشکیل می‌دهند.

این دندریت‌ها نه تنها باعث از بین رفتن عملکرد باتری می‌شوند، بلکه خطر آتش سوزی و انفجار را نیز افزایش می‌دهند.

اکنون یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی کیم جائه هیون(Kim Jae-hyun) ‌محقق بخش انرژی و فناوری محیط زیست در DGIST، با تغییر به یک سیستم سه لایه که الکترولیت پلیمری جامد را می‌سازد، بر این مانع غلبه کرده است.

الکترولیت سه لایه

هر لایه از الکترولیت عملکرد خاصی را انجام می‌دهد. یک لایه میانی مقاوم ساخته شده از زئولیت استحکام ساختار را فراهم می‌کند. در مقابل، لایه‌های بیرونی نرم‌تر تماس الکترود را ایجاد می‌کنند و عملکرد و کارایی باتری را بهبود می‌بخشند.

در یک طرف دکابرومودی‌فنیل‌اتان(DBDPE) قرار دارد که از آتش‌سوزی جلوگیری می‌کند و در صورت وقوع می‌تواند آتش را خاموش کند، در حالی که نمک با غلظت بالای لیتیوم‌بیس(LiTFSI) امکان حرکت سریع‌تر یون‌های لیتیوم را فراهم می‌کند. این تدبیر به بهبود نرخ انتقال انرژی و جلوگیری از تشکیل دندریت در الکترولیت کمک می‌کند.

این باتری در آزمایشات آزمایشگاهی ۸۷.۹ درصد عملکرد خود را حتی پس از ۱۰۰۰ چرخه شارژ و تخلیه شارژ حفظ کرد. این در حالی است که یک باتری لیتیوم-یونی معمولی که از الکترولیت مایع استفاده می‌کند، تنها می‌تواند ۷۰ تا ۸۰ درصد عملکرد خود را در این مرحله حفظ کند.

کیم در بیانیه مطبوعاتی خود گفت: پیش‌بینی می‌شود که این تحقیق کمک قابل ‌توجهی به تجاری‌سازی باتری‌های فلزی لیتیوم با استفاده از الکترولیت‌های پلیمر جامد داشته باشد، در حالی که پایداری و کارایی افزایش یافته برای دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی را فراهم می‌کند.

این باتری پلیمری جامد سه لایه مانند باتری لیتیوم-یون معمولی می‌تواند در دستگاه‌های مختلف از تلفن‌های هوشمند گرفته تا راه حل‌های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ استفاده شود.

یافته‌های این پژوهش در مجله Small منتشر شده است.