به تازگی دانشمندان یک الکترولیت جامد جدید مبتنی بر کلرید برای باتری‌های حالت جامد (لیتیومی) ساخته‌اند. این کشف که نوید رسانایی یونی بالا و ایمنی بیشتر با هزینه کمتر را می‌دهد، گامی مهم در فناوری ساخت و تولید باتری و نیز تجاری سازی آن به‌شمار می‌رود.
به گزارش ایسنا، دانشمندان به سرپرستی پروفسور Kang Kisuk از مرکز تحقیقات نانوذرات در موسسه علوم پایه(IBS)، از پیشرفت بزرگی در نسل بعدی باتری‌های حالت جامد خبر دادند.
آن‌ها یک الکترولیت جامد جدید مبتنی بر کلرید با رسانایی یونی استثنایی کشف کرده‌اند که پیش بینی می‌شود با چنین کشفی امکان ساخت باتری‌های کارآمدتر نیز میسر شود.
لزوم نیاز به الکترولیت‌های جامد
یک نگرانی مبرم در مورد باتری‌های تجاری فعلی، وابستگی آن‌ها به الکترولیت‌های مایع است که منجر به اشتعال پذیری و خطر انفجار می‌شود. بنابراین، توسعه الکترولیت‌های جامد غیر قابل احتراق برای پیشرفت فناوری باتری‌های حالت جامد (لیتیومی) از اهمیت زیادی برخوردار است.
با توجه به تغییر و حرکت جهان به سوی حمل و نقل پایدار، امروزه شاهد اهمیت و کاربرد بیش از پیش وسایل نقلیه الکتریکی در جهان هستیم. در این راستا، تحقیقات در مورد اجزای اصلی باتری‌های ثانویه (قابل شارژ)، به ویژه باتری‌های حالت جامد، به موضوعی مهم در دنیا تبدیل شده است.
آرایش یون‌های فلزی (در این مورد ایتریم/ yttrium) در داخل هر لایه بر هدایت یونی تاثیر می‌گذارد. برای اطمینان از حرکت بدون مانع یون‌های لیتیوم، تعداد یون‌های فلزی که مکان‌های موجود در هر لایه را اشغال می‌کنند باید کمتر از 0.444 باشد.
علاوه بر این، برای ایجاد یک مسیر به اندازه کافی گسترده برای یون‌های لیتیوم در هر لایه، اشغال یون‌های فلزی باید بیش از 0.167 باشد. بنابراین، دستیابی به اشغال یون‌های فلزی بین 0.167 و 0.444 در هر لایه منجر به یک لایه رسانا با هدایت (رسانایی) یونی بالا می‌شود.
به منظور کاربردی ساختن باتری‌های حالت جامد برای استفاده از آن‌ها در کاربردهای روزانه، توسعه مواد با رسانایی یونی بالا، پایداری شیمیایی و الکتروشیمیایی قوی و نیز انعطاف‌پذیری ماشینی (مکانیکی)، از امور بسیار مهمی هستند.
در تحقیقات پیشین، دانشمندان با موفقیت به الکترولیت‌های جامد مبتنی بر سولفید و اکسید با رسانایی یونی بالا دست یافته بودند، اما هیچ یک از این مواد به طور کامل شامل تمام این الزامات و ویژگی‌ها برای دستیابی به باتری‌های حالت جامد و استفاده آن‌ها در مصارف روزانه نبودند.
پیشرفت در الکترولیت‌های جامد مبتنی بر کلرید
در گذشته، دانشمندان الکترولیت‌های جامد مبتنی بر کلرید را که به‌خاطر هدایت (رسانایی) یونی برتر، انعطاف‌پذیری مکانیکی و پایداری در ولتاژ بالا شناخته می‌شوند، کشف کرده‌اند.
این ویژگی‌ها باعث شد برخی گمان کنند که باتری‌های مبتنی بر کلرید گزینه مناسبی برای باتری‌های حالت جامد هستند. با این حال، این امیدها به سرعت از بین رفت، زیرا باتری‌های کلرید به دلیل وابستگی زیاد به فلزات کمیاب خاکی گران قیمت، از جمله عناصر ایتریوم(yttrium)، اسکاندیم(scandium) و لانتانید(lanthanide)، به‌عنوان اجزای ثانویه غیرکاربری شناخته شدند.
برای رفع این نگرانی‌ها، تیم تحقیقاتی IBS توزیع یون‌های فلزی در الکترولیت‌های کلرید را بررسی کردند. در نتیجه، آن‌ها پی بردند که تنوع آرایش یون‌های فلزی در ساختار، دلیل اصلی در رسانایی یونی پایین درالکترولیت‌های کلرید تریگونال شده است.
آن‌ها ابتدا این نظریه را بر روی لیتیوم ایتریم کلرید ( lithium yttrium chloride)، یک ترکیب متداول کلرید فلز لیتیوم، آزمایش کردند. آن‌ها مشاهده کردند که هنگامی که یون‌های فلزی در نزدیکی مسیر یون‌های لیتیوم قرار می‌گیرند، نیروهای الکترواستاتیک باعث ایجاد انسداد در حرکت آن‌ها می‌شدند.
و به‌‍طور عکس، اگر اشغال یون‌های فلزی خیلی کم بود، مسیر یون‌های لیتیوم بسیار باریک می‌شد و حرکت آن‌ها را مختل می‌کرد.
با تکیه بر این بینش، تیم تحقیقاتی استراتژی‌هایی را برای طراحی الکترولیت‌ها به گونه‌ای معرفی کرد که این عوامل متضاد را کاهش دهد و در نهایت منجر به توسعه موفقیت‌آمیز یک الکترولیت جامد با رسانایی یونی بالا شود.
این گروه با ایجاد یک باتری حالت جامد (لیتیومی) فلز کلرید بر پایه زیرکونیوم ( zirconium) که به مراتب به صرفه تر و ارزان تر از انواعی است که از فلزات خاکی کمیاب استفاده می‌کنند، این استراتژی را با موفقیت عملی ساختند.
در واقع، این کشف اولین موردی است که اهمیت آرایش یون‌های فلزی بر رسانایی یونی یک ماده را نشان می‌دهد.
