حل بزرگ‌ ترین چالش باتری‌ های حالت جامد خودروها و گجت‌ ها با یک ترفند مکانیکی ساده؛ پایان کابوس دندریت‌ ها

باتری‌های حالت جامد (Solid-State Batteries) از دیرباز به عنوان «جام مقدس» ذخیره‌سازی انرژی معرفی شده‌اند. این فناوری نوین وعده دو برابر شدن تراکم انرژی در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یونی سنتی، کاهش چشمگیر زمان شارژ و حذف کامل خطرات ناشی از آتش‌سوزی‌های حرارتی را می‌دهد. با وجود این پتانسیل فوق‌العاده، این فناوری هنوز به مرحله تولید و تجاری‌سازی انبوه نرسیده است و مقصر اصلی این معضل، ساختارهایی به نام دندریت‌ها (Dendrites) هستند. این ساختارهای میکروسکوپی و سوزنی‌شکل هنگام فرایند شارژ درون باتری تشکیل می‌شوند، الکترولیت سرامیکی جامد را شکافته و با متصل کردن الکترودها به یکدیگر، سبب بروز اتصال کوتاه و از کار افتادن باتری می‌شوند.

به گزارش بخش اخبار فناوری زوم تک به نقل از دیجیتال ترندز (Digital Trends)، اکنون پژوهشگران آزمایشگاه شتاب‌دهنده ملی اسلک (SLAC) و دانشگاه استنفورد (Stanford University) راهکاری فوق‌العاده ساده برای رفع این مشکل مزمن کشف کرده‌اند. بر اساس مقاله‌ای که در ژورنال علمی معتبر نیچر (Nature) منتشر شده است، اعمال یک فشار مکانیکی کنترل‌شده به الکترولیت سرامیکی مانع از ایجاد این اتصالات کوتاه می‌شود و به سلول‌های آزمایشی امکان می‌دهد تا هزاران چرخه شارژ و دشارژ را بدون افت عملکرد و خرابی پشت سر بگذارند.

تغییر جهت رشد داخلی دندریت‌ ها با مکانیک شکست و فشار جانبی

دانشمندان سال‌ها بر سر این موضوع بحث می‌کردند که آیا شکل‌گیری دندریت‌ها از سطح الکترولیت آغاز می‌شود یا از اعماق ساختار درونی آن. تیم تحقیقاتی با استفاده از تجهیزات پیشرفته پرتو ایکس در آزمایشگاه SLAC به این ابهام پاسخ داد و نشان داد که رشد دندریت‌ها از حفره‌ها و نقایص ساختاری نانومتری درون ماده آغاز می‌شود.

برای مقابله با این پدیده، محققان از اصول پایه‌ای مکانیک شکست (Fracture Mechanics) بهره بردند. آن‌ها حلقه‌ای از جنس آلیاژ حافظه‌دار (Shape-Memory Alloy) را دور الکترولیت جامد قرار داده و دمای آن را تا ۱۷۰ درجه سانتی‌گراد افزایش دادند. با منقبض شدن حلقه، یک فشار جانبی قدرتمند و پیوسته به سلول باتری وارد شد.

نتیجه این آزمایش بسیار شگفت‌انگیز بود؛ تحت این تراکم مکانیکی، دندریت‌ها همچنان در محل نقایص داخلی تشکیل می‌شدند، اما اعمال تنش فیزیکی مسیر رشد آن‌ها را تغییر داد. به جای اینکه دندریت‌ها به صورت عمودی به سمت الکترودها حرکت کرده و اتصال کوتاه ایجاد کنند، به صورت افقی رشد کردند. با مهار ایمن دندریت‌ها درون ساختار الکترولیت، دیگر امکان اتصال میان بخش‌های داخلی و آسیب به باتری وجود نداشت.

پیامدها و کاربرد باتری‌ های حالت جامد در صنایع و فناوری‌ های روزمره

اگرچه این پژوهش در حال حاضر در مراحل آزمایشگاهی قرار دارد، اما استفاده از فشار مکانیکی برای مهار دندریت‌ها مسیر روشنی را برای پیاده‌سازی در دستگاه‌های دنیای واقعی و صنایع کلیدی هموار می‌سازد:

• خودروهای برقی (Electric Vehicles): برای خودروهای الکتریکی، دو برابر شدن تراکم انرژی به معنای افزایش چشمگیر برد پیمایشی و کاهش وزن خودرو است. جلوگیری از اتصالات کوتاه به این باتری‌ها امکان می‌دهد تا پروتکل‌های شارژ فوق‌سریع را بدون آسیب مدیریت کنند و نگرانی رانندگان درباره خالی شدن باتری را کاملاً برطرف سازند.
• لوازم الکترونیکی مصرفی (Consumer Electronics): با مقیاس‌پذیری تولید این فناوری، گوشی‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و گجت‌های پوشیدنی می‌توانند با حفظ ضخامت بسیار باریک، به عمر باتری فوق‌العاده طولانی‌تر دست یابند.
• ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس شبکه (Grid Energy Storage): شبکه‌های بزرگ برق به سیستم‌های ذخیره‌سازی با توان تحمل هزاران چرخه شارژ نیاز دارند. الکترولیت‌های سرامیکی جامد پایداری غیرقابل‌اشتعال را تضمین کرده و تراکم مکانیکی، قابلیت اطمینان طولانی‌مدت آن‌ها را تامین می‌کند.

مسیری واقع‌ بینانه برای تجاری‌ سازی نسل جدید باتری‌ ها

این مطالعه اثبات می‌کند که حذف خطرات دندریت لزوماً نیازمند کشف مواد سرامیکی معجزه‌آسا و کاملاً بدون نقص نیست. مهندسان می‌توانند با اتکا به فشار مکانیکی ساده، مسیری واقع‌بینانه‌تر را به جلو ببرند. طراحی باتری‌هایی مجهز به سازوکار داخلی ایجاد فشار می‌تواند همان میان‌بر مهندسی مورد نیازی باشد که سرانجام باتری‌های حالت جامد را از محیط آزمایشگاه وارد بازار تجاری و زندگی روزمره کاربران می‌کند.