باتری‌های کوچک‌تر EV با کشف جدید دانشمندان کره‌ای قادر خواهند بود برد حرکتی بیشتری را ارائه دهند و به انقلاب خودروهای برقی کمک کنند.
پژوهشگران برجسته موسسه پیشرفته علم و فناوری کره (KAIST) با همکاری دانشگاه‌های دیگر، گامی بلند در جهت بهبود فناوری باتری آند-فری برداشته‌اند. این رویکرد نوآورانه که از تکنیک‌های ساخت دقیق در صنعت نیمه‌رسانا الهام گرفته، چالش‌های اصلی باتری‌های آند-فری مانند تشکیل ساختارهای مخرب لیتیومی را برطرف می‌کند. هدف نهایی این پژوهش، تولید خودروهای برقی با برد حرکتی چشمگیر و وزن کمتر است که پتانسیل تحول در صنعت خودرو را دارد.
چرا باتری‌های آند-فری آینده خودروهای برقی هستند؟
در باتری‌های لیتیوم-یون متداول، لیتیوم هنگام شارژ در آند ساخته‌شده از موادی مانند گرافیت ذخیره می‌شود. اما باتری‌های آند-فری رویکرد متفاوتی دارند؛ آن‌ها به‌جای اتکا به ماده آندی جداگانه، اجازه می‌دهند لیتیوم مستقیما روی یک ورق نازک فویل مسی انباشته شود. حذف آند معمولی، موادی را که به وزن و ضخامت کلی باتری می‌افزایند، از بین می‌برد. این امر امکان ذخیره انرژی بیشتر در فضای کمتر را فراهم می‌کند و به‌طور بالقوه به خودروهای برقی اجازه می‌دهد مسافت بیشتری را با پک‌های باتری کوچک‌تر یا سبک‌تر طی کنند. با این حال، این طراحی امیدوارکننده یک نقطه ضعف جدی دارد: لیتیوم همیشه به‌طور یکنواخت روی سطح مس پخش نمی‌شود و می‌تواند ساختارهای سوزنی‌شکل یا دندریت‌ها را تشکیل دهد که عمر باتری را کاهش می‌دهد.
پیشگیری از ساختارهای مخرب لیتیوم با فناوری نیمه‌رسانا
تیم به سرپرستی KAIST، به‌جای افزودن حجم قابل توجهی از مواد اضافی، بر تغییر ساختار فویل مسی که لیتیوم روی آن انباشته می‌شود، تمرکز کرد. محققان یک الگوی دقیق از لوله‌های میکروسکوپی را روی سطح مس ایجاد کردند. آن‌ها از تکنیک ساخت نیمه‌رسانا موسوم به لیتوگرافی ثانویه کندوپاش (SSL) استفاده کردند که ساخت سازه‌های بسیار کوچک را با دقت بالا امکان‌پذیر می‌کند. هر یک از این لوله‌ها تقریبا ۳۰۰ نانومتر عرض و ۱۵۰ نانومتر ارتفاع داشتند. این ساختارهای کوچک سطح موجود برای رسوب لیتیوم را تقریبا تا چهار برابر یک ورق مس صاف افزایش دادند و به توزیع یکنواخت‌تر لیتیوم کمک کرده و از تجمع متمرکزی که منجر به تشکیل دندریت‌های آسیب‌زا می‌شود، جلوگیری کردند.
پوشش محافظتی نانومتری برای افزایش عمر باتری‌های EV
محققان گامی فراتر نهادند و پوششی از MXene، یک ماده دوبعدی، به ضخامت تقریبی ۱۰ نانومتر (معادل تنها چند هزارم ضخامت تار موی انسان) روی فویل مسی اعمال کردند. این پوشش MXene به‌عنوان بستری عمل می‌کند که تشکیل یک لایه محافظ قوی‌تر حاوی غلظت بالای فلوراید لیتیوم (LiF) را در طول عملکرد باتری تشویق می‌کند. این لایه به محدود کردن واکنش‌های شیمیایی ناخواسته بین لیتیوم و الکترولیت کمک کرده و رشد ساختارهای مخرب لیتیومی را مهار می‌کند. با تثبیت سطح الکترود، این روش دو عامل مهم تخریب در باتری‌های EV آند-فری را برطرف می‌کند. دانشمندان برای درک چگونگی توسعه این لایه محافظ، با استفاده از روش‌های تحلیلی پیشرفته مانند طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، سطوح الکترود و مقاطع داخلی را بررسی کردند.
گامی رو به جلو در مسیر باتری‌های کوچک‌تر و بادوام‌تر
پروفسور جین‌وو لی در این‌باره گفت: «این پژوهش نشان می‌دهد که چگونه تکنیک‌های ساخت فوق‌دقیق مورد استفاده در تولید نیمه‌رسانا می‌توانند هم سایت‌های یکنواخت برای رسوب لیتیوم و هم یک لایه محافظ پایدار را ایجاد کنند، بدون این‌که فرمولاسیون الکترولیت تغییر کند یا لیتیوم اضافی به آن افزوده شود.» او همچنین توضیح داد که این یافته‌ها می‌توانند توسعه تجاری باتری‌های آند-فری پرانرژی را تسریع بخشند.
با بهبود عمر باتری و در عین حال به حداقل رساندن وزن و حجم اضافی، این فناوری می‌تواند از توسعه سیستم‌های ذخیره انرژی فشرده‌تر برای خودروهای برقی آینده حمایت کند. این یافته‌ها در تاریخ ۱ سپتامبر ۲۰۲۶ در مجله بین‌المللی Advanced Functional Materials به‌صورت آنلاین منتشر شد و تامین مالی آن از برنامه‌های توسعه فناوری نانو و مواد بنیاد ملی تحقیقات کره (NRF) و مرکز نانوفب ملی (NNFC) صورت گرفته است.
نظرات کاربران