خودروهای برقی، انرژی موردنیاز خود را از طریق باتری دریافت می‌کنند. این خودروها کماکان آن‌طور که بایدوشاید مورد توجه مصرف‌کنندگان قرار نگرفته‌اند و فاکتوری با نام “دغدغه مسافتی” غالبا به‌عنوان یکی از دلایل کلیدی پیدایش چنین وضعیتی در نظر گرفته می‌شود. به‌طور خلاصه، دغدغه مسافتی بیان‌گر دلهره کاربران نسبت به توانایی باتری خودروی برقی جهت تامین انرژی موردنیاز برای رساندن آن‌ها به مقصد است. سرعت‌های فوق‌العاده پایین فناوری‌های شارژ امروزی (حداکثر 1 ساعت یا به‌صورت بالقوه بسیار طولانی‌تر) نیز حقیقتا به حل این مشکل کمک نخواهند کرد.
با این‌حال گونه جدیدی از فناوری باتری که توسط دانشمندان دانشگاه Penn State University توسعه یافته است؛ احتمالا به حل مشکل فوق تا حدودی کمک خواهد کرد. این فناوری به رفع موانع موجود جهت ارایه یک باتری EV که شارژ کامل آن تنها چند دقیقه زمان خواهد برد؛ کمک می‌کند.
Chao-Yang Wang؛ مهندس مواد می‌گوید: “ما نشان دادیم که با شارژ کردن 10 دقیقه‌ای باتری می‌توان انرژی موردنیاز یک خودروی برقی برای پیمایش مسافت 200 تا 300 مایلی را تامین نمود. این‌کار برای 2500 سیکل شارژ یا مسافتی معادل با نیم میلیون مایل قابل اجرا خواهد بود.”
چنین پدیده‌ای بسیار حائز اهمیت است؛ زیرا باتری‌های EV همانند انواع به‌کارگیری شده در اسمارت‌فون‌ها و نو‌ت‌بوک‌ها از نوع باتری‌های یون لیتیومی هستند. این باتری‌ها پیش از پایان عمر مفید خود با محدودیت تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ دست‌به‌گریبان هستند.
دما یکی از فاکتورهایی است که می‌تواند فرآیند تخریب این باتری‌ها را تسریع نماید. به همین دلیل کمپانی‌ها همواره به کاربران یادآوری می‌کنند تا از افزایش شدید دمای باتری در دستگاه‌های الکتریکی شخصی خود جلوگیری نمایند. افزایش بیش‌ازاندازه دمای باتری احتمالا موجب کاهش طول عمر کلی آن خواهد شد.
همچنین این واقعیت ناگوار به‌عنوان یکی از موانع پیش روی وزارت انرژی ایالات‌متحده در راستای دستیابی به اهداف موردنظر برای باتری‌های EV به‌شمار می‌رود. با معرفی استانداردی موسوم به شارژ فوق سریع (XFC) می‌توان امید داشت که باتری‌های EV ظرف مدت کم‌تر از 10 دقیقه به‌طور کامل شارژ شده و انرژی موردنیاز جهت پیمایش مسافت 200 مایلی را تامین نمایند.
بر اساس اظهارات تیم دانشگاه Penn در صورت تولید باتری جدیدا طراحی شده توسط آن‌ها می‌توان به این هدف فنی جاه‌طلبانه دست یافت. این پدیده به لطف تلاش‌های صورت گرفته در راستای حل یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های دستیابی به فناوری XFC امکان‌پذیر می‌شود. محققان در مقاله جدید خود توضیح دادند که آبکاری لیتیوم یکی از موانع بزرگ در مسیر دستیابی به فناوری XFC محسوب می‌شود؛ پدیده‌ای که معمولا در نرخ‌های بالای شارژ به وقوع پیوسته و ایمنی و طول عمر باتری را به شدت کاهش می‌دهد. آبکاری لیتیوم زمانی رخ می‌دهد که حین فرآیند شارژ باتری، رسوب لیتیومی در اطراف بخش آند باتری تشکیل شود. تحقیقات تیم مذکور نشان می‌دهد که اگرچه دمای بالا برای باتری‌های یون لیتیومی مضر است؛ با این‌حال ظاهرا افزایش دما برای دوره‌های زمانی کوتاه‌مدت در واقع می‌تواند موجب کاهش شدت پدیده آبکاری لیتیوم شود.
آقای وانگ می‌گوید: “در گذشته با توجه به نگرانی‌های موجود در خصوص تشدید تبعات جانبی افزایش دما برای باتری‌های یون لیتیومی، باور عمومی بر این بود که جلوگیری از افزایش دمای این باتری‌ها اقدامی حیاتی است. این مطالعه نشان می‌دهد که تاثیرات مثبت افزایش دمای کنترل شده باتری (در مدت زمان محدود) بر کاهش آبکاری لیتیوم در مقایسه با تاثیرات احتمالی آن بر بروز واکنش‌های منفی بسیار بیش‌تر است.”
محققان مشخصا دریافتند که باتری‌هایی که حین فرآیند شارژ، دمای آن‌ها به‌طور موقت تا 60 درجه سلسیوس (140 درجه فارنهایت) برای مدت حدودا 10 دقیقه افزایش پیدا می‌کند؛ به لحاظ تئوری می‌توانند به استاندارد XFC دست یابند. این فرآیند برای حدودا 1700 سیکل شارژ دوام خواهد داشت.
در مقابل، یک باتری با دمای کنترل نشده تنها پس از اجرای 60 سیکل آزمایشی تخریب شد. اگرچه گرم کردن باتری یون لیتیوم احتمالا اقدامی نامتعارف به‌نظر می‌رسد (و یقینا کاربران قادر به انجام این‌کار در منزل نیستند)؛ اما نتایج جالب‌توجهی را به‌دنبال دارد.
به گفته آقای وانگ “در صنعت باتری، افزایش دمای این باتری‌ها تا بیش از 60 درجه سانتی‌گراد ممنوع است. چنین دمایی بسیار بالا بوده و برای مواداولیه درون باتری بسیار خطرناک است. بعلاوه طول عمر باتری را به میزان چشمگیری کاهش می‌دهد.
با این‌حال تیم تحقیقاتی در جریان تست‌های کنترل شده خود پی بردند که تکنیک افزایش دما، پدیده آبکاری لیتیوم را متوقف می‌کند. اما به منظور جلوگیری از پیدایش یک پیامد مخرب در باتری موسوم به تداخل فازی الکترولیت جامد (SEI)، افزایش دما برای مدت زمانی محدود انجام می‌شود.
اما کار تحقیقاتی تیم هنوز به پایان نرسیده است. اکنون که آن‌ها به هدف فناوری XFC یا حداقل باتری‌های دارای این تکنولوژی دست یافته‌اند؛ به‌دنبال یافتن گونه‌هایی از مواداولیه هستند که احتمالا امکان شارژ کامل یک باتری EV ظرف مدت تنها 5 دقیقه را فراهم می‌کنند.
یافته‌های مربوط به تحقیقات فوق در نشریه Joule منتشر شده است.
