در دنیای امروزی که نیاز به انرژی ماندگار و باتری‌های قابل اعتماد در فناوری‌هایی چون خودروهای الکتریکی، منابع انرژی تجدیدپذیر و اکتشافات فضایی بیش از پیش احساس می‌شود، پژوهشگران گامی مهم در توسعه کاتد باتری برداشته‌اند. تیمی بین‌المللی به رهبری دانشمندان چینی موفق به معرفی ماده‌ای نو برای کاتد شده‌اند که همه ویژگی‌های لازم برای ارتقای فناوری ذخیره‌سازی انرژی را یکجا دارد؛ از رسانایی و ظرفیت بالا تا خاصیت نوآورانه ترمیم‌پذیری ساختاری.
اهمیت توسعه مواد نوین کاتد در فناوری باتری
باتری‌ها از دو الکترود اصلی – آند و کاتد – تشکیل شده‌اند که توسط الکترولیت جدا شده و میزبان تبادل یون‌های لیتیوم در هر چرخه شارژ و دشارژ هستند. مواد سازنده الکترود باید دارای ویژگی‌های متعددی باشند: ساختاری باز برای حرکت سریع یون‌ها، مقاومت مکانیکی بالا و همین‌طور قابلیت رسانایی مطلوب برای تسهیل انتقال الکترون‌ها. متأسفانه، به ندرت ماده‌ای یافت می‌شود که تمام این ویژگی‌ها را به طور همزمان داشته باشد.
به همین علت، اغلب کاتدهای امروزی از ترکیب چند ماده مختلف ساخته می‌شوند؛ هر یک مسئول کارکردی خاص چون ذخیره‌سازی مؤثر یون‌ها، رسانایی یا تسهیل ورود و خروج یون‌ها به الکترود. این فرایند باعث می‌شود که مرز بین مواد مختلف درون کاتد، محل آسیب‌پذیری و افت تدریجی ظرفیت در طی استفاده شود، زیرا به مرور زمان این اتصالات دچار خرابی می‌شوند.
ماده‌ای همه‌کاره با ساختار ساده و اقتصادی
تیم تحقیقاتی با هدف ساده‌سازی طراحی کاتد، تمرکز خود را بر توسعه ماده‌ای گذاشت که به طور یکپارچه همه وظایف اصلی را انجام دهد. آن‌ها با بررسی مطالعات پیشین، به ترکیبات کلر مبتنی بر آهن رو آوردند، چراکه این مواد امکان جابجایی سریع یون‌ها را بدون رسانایی مطلوب فراهم می‌سازند و در عین حال ارزان و فراوان‌اند.
نتیجه تلاش آن‌ها ماده‌ای با فرمول شیمیایی Li1.3Fe1.2Cl4 بود. به کمک شبیه‌سازی‌های مولکولی، مشخص شد که یون‌های آهن و کلرید در مرکز ساختاری شبیه به دو هرم چهاروجهی به هم متصل قرار می‌گیرند و یون‌های لیتیوم می‌توانند با آزادی بین گوشه‌های این ساختار جابجا شوند؛ ویژگی‌ای که هم به ذخیره‌ی مؤثر یون‌ها و هم جابجایی سریع آن‌ها کمک می‌کند. دانشمندان برای ساخت این ماده، ترکیبی از کلرید لیتیوم و دو نوع کلرید آهن را به روش سایش مکانیکی شدید در کنار گلوله‌های فولادی مخلوط و سپس شبانه در دمای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده‌اند.
ظرفیت و دوام چشمگیر در آزمون‌های عملی
وقتی این ماده در کاتد باتری آزمایش شد، تراکم انرژی آن معادل کاتدهای فسفات آهنی بود که به دوام بلندمدت معروف‌اند. نکته جالب این که این کاتد جدید، برخلاف بسیاری از نمونه‌های قبلی، در سرعت‌های شارژ بالاتر ظرفیت خود را بهتر حفظ می‌کند؛ یعنی می‌توان آن را بسیار سریع شارژ کرد بدون کاهش محسوس ظرفیت ذخیره‌سازی. در آزمایش‌ها، حتی پس از ۳۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ سریع (کمتر از ۱۵ دقیقه برای شارژ کامل)، بیش از ۹۰ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کرد.
در حالی که رسانایی اولیه ماده چندان بالا نبود، پژوهشگران نشان دادند که افزودن تنها ۲ درصد کربن هادی موجب بهبود قابل توجه رسانایی می‌شود. افزون بر این، این ماده را می‌توان به‌عنوان الکترولیت حالت‌جامد روی کاتدهای پرظرفیت دیگر لایه‌بندی کرد، تا هم مسیر عبور یون‌ها را فراهم کند و هم در صورت اشباع ظرفیت، یون‌های لیتیوم را ذخیره نماید.
خودترمیم‌شوندگی: راز طول عمر بالا
یکی از مهم‌ترین و نوآورانه‌ترین ویژگی‌های این ماده، قابلیت خودترمیم‌شوندگی آن است. پژوهش‌ها نشان می‌دهند که در طی چرخه شارژ، ساختار ماده دچار تغییر فاز می‌شود: با خروج یون‌های لیتیوم، موقعیت یون‌های آهن نسبت به کلر تغییر یافته و در طول چرخه، سه فاز ساختاری متفاوت ایجاد می‌شود که منجر به انبساط حدود ۸ درصدی حجم در حین شارژ می‌گردد. این تغییر فاز همچنین نقطه ذوب را تغییر داده و ویژگی ماده را از شکنندگی به انعطاف‌پذیری سوق می‌دهد و این بستر را برای ترمیم ترک‌ها و شکاف‌های احتمالی فراهم می‌کند.
به گفته محققان، «ترک‌ها و حفره‌های اولیه در الکترود Li1.3Fe1.2Cl4 در فرایند شارژ کاملاً ترمیم می‌شوند.» این ویژگی کلیدی، اصلی‌ترین دلیل حفظ ظرفیت ۹۰ درصدی حتی پس از معادل ۱۰ سال استفاده روزانه از باتری است.
چالش‌های تولید صنعتی و آینده فناوری باتری
علاوه‌بر تمام مزایای فوق، این ماده از مواد اولیه ارزان و فراوان ساخته می‌شود و قابلیت شارژ سریع و بازیابی ظرفیت مناسب را دارد. با این وجود، فرایند ساخت آزمایشگاهی آن یعنی سایش شدید و حرارت‌دهی، برای تولید انبوه چالش‌آفرین است. پژوهشگران رویکردهای مختلفی را برای مقیاس‌پذیر کردن فرایند پیشنهاد داده‌اند، اما هنوز نیازمند تحقیقات بیشتر برای ارزیابی عملی بودن این راهکارها هستند.
با این حال، یافته های اخیر نشان می‌دهد که حتی پس از سال‌ها تسلط فناوری یون-لیتیم بر بازار ذخیره‌سازی انرژی، هنوز شیمی‌های جدید و پنهانی وجود دارند که می‌توانند تحولی اساسی در قابلیت‌های باتری‌های قابل شارژ ایجاد کنند. چنین پیشرفت‌هایی نه تنها زمینه را برای ارتقای باتری‌های مصرفی و صنعتی فراهم می‌کند، بلکه افق‌های نوینی را برای فناوری‌های فضایی و انتقال انرژی ایمن‌تر و پربازده‌تر باز می‌نماید.
جمع‌بندی
کشف و توسعه کاتد Li1.3Fe1.2Cl4 نقطه عطفی در مسیر پیشرفت باتری‌های یون-لیتیم محسوب می‌شود. داشتن ویژگی‌هایی چون ظرفیت پایدار، ترمیم‌پذیری و ساخت از مواد ارزان و قابل دسترس، این ماده را گزینه‌ای جذاب برای آینده فناوری ذخیره‌سازی انرژی ساخته است. اگر چالش‌های تولید انبوه با موفقیت رفع شود، می‌توان شاهد ورود باتری‌هایی با عمر طولانی، شارژ سریع و دوام بی‌نظیر به بازار بود؛ تحولی که می‌تواند صنایع مختلف از حمل‌ونقل برقی تا مخابرات و حتی مأموریت‌های فضایی را متحول کند.
