استفاده از نانولایه نیترید بور برای بهبود طول عمر باتری‌های حالت جامد

آخرین به‌روزرسانی: دی ماه 1404

چالش عمده برای بهبود ذخیره انرژی و افزایش طول عمر باتری درحالی‌که عملکرد ایمن آن تضمین شود به‌طور مداوم جدی‌تر می‌شود. زیرا ما به‌طور فزاینده‌ای به منبع انرژی در هر وسیله‌ای ازجمله قطعات الکترونیکی قابل‌حمل گرفته تا وسایل نقلیه الکتریکی وابسته هستیم. اخیراً محققان اعلام کردند که یک روش جدید برای افزایش طول عمر باتری به‌صورت ایمن یافته اند. این روش با ایجاد یک پوشش نانویی از نیترید بور (BN) برای پایدارسازی الکترولیت‌های جامد در باتری‌های لیتیوم یونی حاوی آند لیتیوم توسعه داده‌ شده است. 

چالش باتری های لیتیوم یون

اگرچه باتری‌های لیتیوم یونی رایج به‌طور گسترده در زندگی روزمره استفاده می‌شوند اما چگالی انرژی پایین آن‌ها منجر به پایین‌تر بودن زمان استفاده از این باتری‌ها می‌گردد. همچنین اتصال کوتاه و حتی آتش سوزی به دلیل وجود الکترولیت مایع نیز می‌تواند رخ دهد. چگالی انرژی در باتری‌های لیتیوم یونی می‌تواند با جایگزینی فلز لیتیوم به جای آند گرافیتی بهبود یابد، زیرا ظرفیت تئوری فلز لیتیوم برای شارژ می‌تواند به حدود 10 برابر گرافیت برسد. اما در حین شارژ و دشارژ، اغلب دندریت‌ها شکل گرفته و در صورت ورود به غشای جداکننده (separator) می‌توانند باعث ایجاد اتصال کوتاه شده و نگرانی در مورد ایمنی باتری را افزایش دهد.

الکترولیت سرامیکی جامد و نیترید بور

این دانشمندان روی الکترولیت‌های سرامیکی جامد متمرکز شدند زیرا آن‌ها قابلیت زیادی برای بهبود ایمنی و چگالی انرژی در مقایسه با الکترولیت‌های قابل اشتغال رایج در باتری لیتیوم یونی دارند زیرا اکثر الکترولیت‌های جامد سرامیکی بوده و قابل اشتعال نیستند و می‌‌تواند نگرانی‌های مربوط به ایمنی باتری را برطرف کند و به کمک لایه‌ی نیترید بور، عملکرد باتری بهبود پیدا می‌کند.

” بیشتر بخوانید: ساخت الکترولیت فوق هادی برای باتری‌های حالت جامد “

علاوه بر این، الکترولیت‌های سرامیکی جامد استحکام مکانیکی بالایی دارند که می‌توانند مانع از رشد دندریت‌ها شوند که سبب می‌شود فلز لیتیوم یک گزینه مناسب برای پوشش دهی آند باتری‌ها باشد. بااین‌حال، اکثر الکترولیت‌های جامد در مقابل لیتیوم ناپایدارند و به آسانی توسط فلز لیتیوم دچار خوردگی شده و نمی‌توانند در باتری استفاده گردند. شکل زیر دو حالت برای استفاده و عدم استفاده از لایه‌ نیترید بور را نشان می‌دهد که ناپایداری برای حالت بدون لایه‌ی BN مشخص است.

مطالعه تحقیقاتی

فلز لیتیوم برای افزایش چگالی انرژی ضروری است و مهم است که از آن به عنوان آند در کنار الکترولیت جامد استفاده شود. برای سازگار کردن این الکترولیت‌های ناپایدار در کاربردهای واقعی، ما نیازمندیم که فصل مشترک‌های پایدار مکانیکی و شیمیایی را برای محافظت از این الکترولیت‌های جامد در مقابل آند لیتیومی توسعه دهیم. نه تنها ضروری است که این فصل مشترک از نظر الکترونیکی بسیار عایق باشد بلکه به‌منظور جابه‌جایی یون‌های لیتیوم باید هادی یونی نیز باشد. علاوه بر آن، این فصل مشترک برای جلوگیری از کاهش چگالی انرژی باتری‌ها باید فوق‌العاده نازک باشد.

” بیشتر بخوانید: افزایش طول عمر باتری لیتیوم اکسیژن با الکترولیت هیبریدی جامد “

برای پرداختن به این چالش‌ها، این تیم با محققان آزمایشگاه ملی بروک هاون و دانشگاه شهر نیویورک همکاری کردند. آن‌ها یک لایه نانویی به ضخامت 5 تا 10 نانومتر از نیترید بور را به عنوان لایه محافظ برای قطع تماس الکتریکی بین فلز لیتیوم و ماده رسانای یون (الکترولیت جامد همراه با مقدار اندکی الکترولیت پلیمری یا مایع برای نفوذ به فصل مشترک الکترود و الکترولیت) لایه نشانی کردند.

چرا نیترید بور ؟ 

دلیل انتخاب نیترید بور به عنوان لایه محافظ، پایداری شیمیایی و مکانیکی آن با فلز لیتیوم و مقدار زیاد عایق کنندگی آن بود. آن‌ها لایه نیترید بور همراه با نقایص ذاتی را طراحی کردند که از طریق این نقایص یون‌های لیتیوم می‌توانند جابه جا شوند که سبب می‌شود نیترید بور به عنوان یک جداکننده عالی عمل کند. علاوه بر این، نیترید بور می‌تواند به آسانی از طریق رسوب شیمیایی بخار در مقیاس بزرگ (مقیاس دسی متر) و مقیاس اتمی (مقیاس نانومتر) تولید گردد.

در پژوهش‌های اولیه، از لایه‌های محافظ پلیمری به ضخامت 200 نانومتر استفاده شده بود، اما در این پژوهش لایه محافظ از جنس نیترید بور بود و تنها 5 تا 10 نانومتر ضخامت دارد، بدون اینکه چگالی انرژی باتری‌ها را کاهش دهد که در بین چنین لایه‌های نازکی یک رکورد محسوب می‌شد. این یک ماده کامل است که از هجوم لیتیوم به الکترولیت جامد جلوگیری می‌کند.

تاریخ انتشار:2019/06

منبع: cell.com

نویسنده: محسن کریم پور

ویراستار: حسین جفری پور