ابداع یک مدل ریاضی برای برطرف کردن مشکلات باتری‌های آینده

پژوهشگران “دانشگاه استنفورد”، یک مدل ریاضی ابداع کرده‌اند که می‌تواند به برطرف کردن چالش‌های ساخت باتری‌های آینده کمک کند.

به گزارش باش خبر و به نقل از وب‌سایت رسمی “دانشگاه استنفورد”(Stanford University)، شاید نتایج یک پژوهش جدید بتوانند راه را برای ساخت باتری‌های لیتیوم-فلزی ایمن‌تر هموار کنند.

باتری‌های لیتیوم-فلزی، از خانواده سلول‌های لیتیوم-یون قابل شارژ هستند که به طور گسترده در وسایل الکترونیکی قابل حمل و خودروهای الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند و به‌عنوان نسل بعدی دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی، فوق‌العاده نویدبخش هستند. باتری‌های لیتیوم-فلزی در مقایسه با همتایان لیتیوم-یون خود، انرژی بیشتری را نگه می‌دارند، سریع‌تر شارژ می‌شوند و وزن بسیار کمتری دارند.

با وجود این، استفاده تجاری از باتری‌های لیتیوم-فلزی قابل شارژ تاکنون محدود بوده است. دلیل اصلی این مشکل، تشکیل “دندریت‌ها”(dendrites) است. دندریت‌ها، ساختارهای نازک، فلزی و درخت‌مانندی هستند که با تجمع لیتیوم روی الکترودهای داخل باتری رشد می‌کنند. دندریت‌ها، عملکرد باتری را کاهش می‌دهند و در نهایت، خرابی به بار می‌آورند که در برخی موارد حتی می‌تواند آتش‌سوزی خطرناکی را به همراه داشته باشد.

این پژوهش جدید، به بررسی مشکل دندریت‌ها از دیدگاه نظری پرداخته است. پژوهشگران دانشگاه استنفورد، یک مدل ریاضی ابداع کرده‌اند که فیزیک و شیمی دخیل در تشکیل دندریت را گرد هم می‌آورد. این مدل ریاضی نشان می‌دهد که استفاده از الکترولیت‌های جدید با ویژگی‌های خاص می‌تواند رشد دندریت را کُند سازد یا حتی به طور کامل متوقف کند.

“وییو لی”(Weiyu Li)، از پژوهشگران این پروژه گفت: هدف پژوهش ما، کمک کردن به طراحی باتری‌های لیتیوم-فلزی با طول عمر بیشتر است. چارچوب ریاضی ما، فرآیندهای شیمیایی و فیزیکی کلیدی در باتری‌های لیتیوم-فلزی را در مقیاس مناسب محاسبه می‌کند.

“حمدی چلپی”(Hamdi Tchelepi)، از پژوهشگران این پروژه گفت: این پژوهش، برخی از جزئیات خاص را در مورد شرایطی که دندریت‌ها تحت آن می‌توانند تشکیل شوند و همچنین مسیرهای ممکن برای سرکوب رشد آنها ارائه می‌کند.

مسیر جدیدی برای طراحی باتری‌ها

پژوهشگران مدت‌ها تلاش کرده‌اند تا عواملی را که به تشکیل دندریت می‌انجامند، درک کنند اما کار آزمایشگاهی، کاری فشرده به شمار می‌رود که تفسیر نتایج آن دشوار است. پژوهشگران با درک این چالش، یک نمایش ریاضی را در مورد میدان‌های الکتریکی داخل باتری‌ها و انتقال یون‌های لیتیوم از طریق مواد الکترولیت، در کنار سایر مکانیسم‌های مرتبط ایجاد کردند.

چلپی ادامه داد: امید ما این است که سایر پژوهشگران بتوانند از راهنمایی پژوهش ما برای طراحی دستگاه‌هایی استفاده کنند که دارای ویژگی‌های مناسب هستند و می‌توانند میزان آزمون و خطا و تغییرات آزمایشی را که باید در آزمایشگاه انجام شوند، کاهش دهند.

راهبردهای جدید طراحی الکترولیت که در این پژوهش آمده‌اند، بررسی موادی را شامل می‌شوند که “ناهمسان‌گرد”(anisotropic) هستند؛ بدین معنی که خواص متفاوتی را در جهات مختلف از خود نشان می‌دهند.

در مورد الکترولیت‌های ناهمسان‌گرد، این مواد می‌توانند فعل و انفعال پیچیده بین انتقال یون و شیمی سطح را تنظیم کنند و از تجمعی که به تشکیل دندریت منجر می‌شود، جلوگیری کنند. به گفته پژوهشگران، برخی از کریستال‌ها و ژل‌های مایع نیز ویژگی‌های مورد نظر را نشان می‌دهند.

روش دیگری که در این پژوهش شناسایی شده، روی جداکننده‌های باتری متمرکز است. جداکننده‌ها، غشاهایی هستند که از تماس و اتصال کوتاه الکترودهای پایانه مخالف باتری جلوگیری می‌کنند. می‌توان انواع جدیدی از جداکننده‌ها را طراحی کرد که دارای منافذی باشند که باعث می‌شوند یون‌های لیتیوم به روشی ناهمسان‌گرد در سراسر الکترولیت به عقب و جلو بروند.

آزمایش و ساخت

این گروه پژوهشی، مشتاقانه منتظر دیدن کار سایر پژوهشگران علمی هستند که سرنخ‌های شناسایی‌شده‌ای را در پژوهش خود دنبال می‌کنند. مراحل بعدی شامل ساخت دستگاه‌های واقعی هستند که بر فرمول‌های آزمایشی جدیدی برای الکترولیت و ساخت باتری تکیه می‌کنند
سپس، بررسی می‌شود که آیا ممکن است این فرمول‌ها موثر، مقیاس‌پذیر و مقرون‌به‌صرفه باشند یا خیر.

“دنیل تارتاکوفسکی”(Daniel Tartakovsky)، از پژوهشگران این پروژه گفت: پژوهش‌های بسیاری در زمینه طراحی مواد و تأیید سیستم‌های پیچیده باتری انجام می‌شوند و می‌توان گفت که چارچوب‌های ریاضی مانند آنچه که به سرپرستی وییو لی انجام می‌شود، تا حد زیادی در میان این تلاش‌ها گم شده‌اند.

تارتاکوفسکی و همکارانش در حال کار کردن روی ساخت یک نمایش مجازی کامل معروف به “آواتار دیجیتال” از “سیستم‌های باتری لیتیوم-فلزی”(DABS) هستند.

تارتاکوفسکی گفت: این پژوهش، یک آواتار دیجیتالی جامع یا کپی باتری‌های لیتیوم-فلزی به شمار می‌رود که در آزمایشگاه ما در حال توسعه است. با کمک DABS، ما به پیشبرد پیشرفته‌ترین دستگاه‌های ذخیره انرژی امیدوارکننده ادامه خواهیم داد.

این پژوهش، در “Journal of The Electrochemical Society” به چاپ رسید.