خداحافظی با شارژ روزانه گوشی؛ معمای باتری‌های حالت جامد حل شد

پژوهشگران سرانجام علت نفوذ دندریت‌های لیتیومی به الکترولیت سرامیکی و از کار افتادن باتری‌های حالت‌جامد را شناسایی کردند. این کشف می‌تواند به توسعه باتری‌هایی ایمن‌تر و بادوام‌تر برای گوشی‌های هوشمند و خودروهای برقی کمک کند.

پژوهشگران سرانجام توانسته‌اند به یکی از مهم‌ترین معماهای مربوط به باتری‌های حالت‌جامد پاسخ دهند و علت شکست این فناوری را شناسایی کنند؛ مشکلی که سال‌ها مانع تجاری‌سازی گسترده این نوع باتری‌ها شده است. این دستاورد می‌تواند مسیر توسعه باتری‌هایی با ایمنی بالاتر، شارژ سریع‌تر و ظرفیت بیشتر را هموار کند؛ فناوری‌ای که می‌تواند در آینده به گوشی‌های هوشمند با شارژدهی چندروزه و خودروهای برقی پیشرفته‌تر منجر شود.

باتری‌های حالت‌جامد برخلاف باتری‌های لیتیوم-یونی معمولی، به جای الکترولیت مایع از یک الکترولیت جامد در میان دو الکترود استفاده می‌کنند. این طراحی مزایایی مانند چگالی انرژی بالاتر، قابلیت شارژ سریع‌تر و ایمنی بیشتر را به همراه دارد. با این حال، یک مشکل جدی تاکنون مانع استفاده گسترده از این فناوری شده است: دندریت‌ها.

به گزارش phonearena، دندریت‌ها ساختارهای کریستالی کوچکی هستند که هنگام شارژ باتری از سمت آند لیتیومی شروع به رشد می‌کنند. این ساختارها ظاهری شبیه شاخه‌های درخت دارند و می‌توانند با نفوذ در الکترولیت سرامیکی جامد، مسیر اتصال کوتاه ایجاد کنند. نکته‌ای که برای سال‌ها دانشمندان را سردرگم کرده بود، این بود که چگونه ساختارهای نسبتاً نرم لیتیومی قادرند به یک لایه سرامیکی جامد نفوذ کنند و آن را بشکافند.

گوشی‌های هوشمند به باتری‌های حالت‌جامد نزدیک‌تر شدند

پژوهشگران برای حل این معما، روش پیچیده‌ای برای آماده‌سازی نمونه و بررسی ساختار مواد توسعه دادند. آن‌ها باتری حالت‌جامد را هنگام شارژ، در شرایط خلأ و دمای بسیار پایین بررسی کردند تا تأثیر عواملی مانند اکسیژن، آب و هوا از نتایج حذف شود. یافته‌های به‌دست‌آمده سپس با روش‌های دیگری از جمله شبیه‌سازی Phase Field و اندازه‌گیری‌های پراش الکترون‌های پس‌پراکنده بررسی و تأیید شد.

نتایج نشان داد دندریت‌های لیتیومی با ایجاد و گسترش ترک‌های بسیار کوچک در الکترولیت سرامیکی، مسیر نفوذ خود را ایجاد می‌کنند و در نهایت باعث اتصال کوتاه و از کار افتادن باتری می‌شوند.

اکنون پژوهشگران به دنبال راه‌هایی برای کند کردن یا متوقف کردن این فرآیند هستند. یکی از راهکارهای پیشنهادی، تقویت الکترولیت سرامیکی برای افزایش مقاومت آن در برابر ترک‌خوردگی است. روش دیگر نیز استفاده از لایه‌های محافظ روی الکترود لیتیومی برای کاهش شکل‌گیری دندریت‌هاست.

در همین رابطه بخوانید:

- 10 راهکار عملی برای افزایش شارژدهی باتری گوشی های موبایل

پژوهشگران امیدوارند این یافته‌ها بتواند یکی از موانع اصلی تجاری‌سازی باتری‌های حالت‌جامد را برطرف کند. در صورت حل این مشکل، این فناوری می‌تواند نقش مهمی در نسل آینده گوشی‌های هوشمند و خودروهای برقی داشته باشد؛ حوزه‌ای که شرکت‌های بزرگی مانند Samsung SDI نیز روی توسعه آن سرمایه‌گذاری کرده‌اند و برنامه تولید انبوه باتری‌های تمام‌جامد خود را برای اواخر سال ۲۰۲۷ اعلام کرده‌اند.