به گزارش آوای اقتصاد
به نقل از تجارت نیوز، یکی از مهمترین چالشهای خودروهای الکتریکی در سالهای اخیر، مسئله شارژ سریع بوده است. کاربران انتظار دارند خودروهای برقی همانند خودروهای بنزینی در چند دقیقه آماده استفاده شوند، اما واقعیت این است که شارژ بسیار سریع معمولاً به قیمت کاهش عمر باتری تمام میشود. هرچه سرعت شارژ بالاتر برود، گرمای بیشتری تولید میشود و همین موضوع به مرور زمان ساختار داخلی باتری را تخریب میکند.
اکنون تیمی از دانشمندان به رهبری پروفسور «شی-ژانگ کیائو» در دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه آدلاید، ادعا میکند راهحلی برای عبور از این بنبست پیدا کرده است. نتیجه تحقیقات این گروه که با همکاری پژوهشگران کالج امپریال لندن انجام شده، در مجله معتبر Nature Energy منتشر شده و توجه بسیاری از کارشناسان صنعت انرژی و خودروهای برقی را به خود جلب کرده است.
شارژ ۸۵ درصدی تنها در ۶ دقیقه
محققان در آزمایشهای خود موفق شدند سلول باتری جدید را تنها در مدت ۶ دقیقه تا ۸۵ درصد شارژ کنند. این عدد در دنیای باتریهای لیتیومی یک رکورد بسیار مهم محسوب میشود، زیرا اغلب باتریهایی که سرعت شارژ بالایی دارند، با افت شدید ظرفیت یا کاهش ایمنی مواجه میشوند.
علاوه بر این، باتری توسعهیافته توسط این تیم توانسته چگالی انرژی ۲۴۰.۴ واتساعت بر کیلوگرم را ارائه دهد؛ عددی که نشان میدهد این فناوری تنها روی سرعت تمرکز نکرده و همچنان ظرفیت ذخیره انرژی قابل قبولی دارد. چگالی انرژی بالا برای خودروهای برقی اهمیت زیادی دارد، زیرا مستقیماً روی میزان پیمایش خودرو اثر میگذارد.
چرا شارژ سریع همیشه یک مشکل بزرگ بوده است؟
باتریهای لیتیومی پرظرفیت امروزی، بهویژه نمونههای مبتنی بر آند سیلیکونی یا آند لیتیومی، معمولاً هنگام شارژ سریع با مشکلات جدی روبهرو میشوند. مهمترین مشکل این است که جریان بالای شارژ باعث تولید گرمای زیاد میشود و همین گرما فرآیند تخریب باتری را سرعت میبخشد.
افزون بر این، شارژ فوق سریع میتواند خطرات ایمنی را نیز افزایش دهد. در برخی شرایط، افزایش دما یا تشکیل ساختارهای ناپایدار در داخل باتری ممکن است منجر به کاهش عملکرد، تورم یا حتی آتشسوزی شود.
پروفسور کیائو در توضیح این چالش میگوید مدلهای فعلی باتری هنگام شارژ سریع گرمای بیشتری تولید میکنند و همین موضوع نهتنها تخریب باتری را تشدید میکند، بلکه نگرانیهای ایمنی را نیز بالا میبرد. او تأکید میکند که دستیابی به شارژ بیش از ۹۰ درصد در کمتر از ۱۰ دقیقه، بدون قربانی کردن چگالی انرژی و طول عمر چرخه شارژ، تاکنون یکی از دشوارترین مسائل در تحقیقات باتری بوده است.
راهکار جدید محققان چه تفاوتی با روشهای قبلی دارد؟
در بسیاری از تحقیقات گذشته، دانشمندان تلاش میکردند با تغییر فرمول الکترولیت، مشکل شارژ سریع را حل کنند. الکترولیت همان محیطی است که یونها در داخل باتری از طریق آن جابهجا میشوند. اما دستکاری کل ساختار الکترولیت معمولاً روی کل سیستم باتری تأثیر میگذارد و در برخی بخشها باعث کاهش رسانایی یونی میشود.
اما تیم دانشگاه آدلاید رویکرد متفاوتی را انتخاب کرده است. آنها بهجای تغییر کل الکترولیت، تنها سطح الکترود را هدف قرار دادند. در این فناوری، از جایخالیهای گوگرد بهعنوان نقاط کاتالیزوری استفاده میشود. این نقاط میتوانند در هنگام شارژ، آنیونهای خاصی را به سطح باتری جذب کنند و در نتیجه یک لایه محافظ فشرده و غنی از لیتیوم فلوراید روی سطح ایجاد شود.
این لایه محافظ که در واقع بخشی از فاز میانی الکترولیت جامد یا SEI محسوب میشود، نقش بسیار مهمی در پایداری باتری دارد. ساختار جدید باعث میشود مسیرهای انتقال یون لیتیوم سریعتر و پایدارتر شوند و در عین حال از تخریب زودهنگام سلول جلوگیری شود.
پروفسور کیائو توضیح میدهد که این نقاط کاتالیزوری روی سطح الکترود، واکنشها را دقیقاً در همان ناحیه حساس کنترل میکنند و به تشکیل یک لایه معدنی محافظ و پایدار کمک میکنند؛ لایهای که برای شارژ فوق سریع و دوام طولانیمدت ضروری است. به گفته او، برخلاف روشهای سنتی مهندسی الکترولیت که کل سیستم را تحت تأثیر قرار میدهند، این استراتژی فقط سطح مشترک باتری را تنظیم میکند و به همین دلیل امکان شارژ سریع بدون افت رسانایی یونی فراهم میشود.
عملکرد باتری در آزمایشهای واقعی چگونه بود؟
نتایج آزمایشها نشان میدهد این فناوری فقط در حد یک ایده آزمایشگاهی نیست و در عمل نیز عملکرد قابل توجهی دارد. آند سیلیکونی مورد استفاده در این باتری توانست به راندمان کولمبیک متوسط حدود ۹۹.۹۴ درصد دست پیدا کند. راندمان کولمبیک نشان میدهد چه میزان از انرژی ذخیرهشده واقعاً قابل استفاده و بازیابی است و هرچه این عدد به ۱۰۰ درصد نزدیکتر باشد، عملکرد باتری بهتر خواهد بود.
همچنین سلولهای آزمایشی توانستند تنها در مدت ۱۰ دقیقه به سطح شارژ ۹۱.۴ درصد برسند؛ عددی که برای خودروهای برقی آینده بسیار امیدوارکننده به نظر میرسد.
دوام باتری پس از صدها چرخه شارژ
یکی از مهمترین نکات این تحقیق، پایداری باتری در طول زمان است. بسیاری از باتریهایی که قابلیت شارژ فوق سریع دارند، بعد از تعداد محدودی چرخه شارژ بخش بزرگی از ظرفیت خود را از دست میدهند.
اما در آزمایشهای انجامشده، سلولهای جدید پس از ۵۰۰ چرخه شارژ متوالی ششدقیقهای، همچنان حدود ۷۶ درصد از ظرفیت اولیه خود را حفظ کردند. این موضوع نشان میدهد فناوری جدید توانسته میان سرعت شارژ و دوام بلندمدت تعادل قابل قبولی ایجاد کند.
پروفسور کیائو در بیانیهای اعلام کرد سلول آزمایشی تیم آنها عملکرد بسیار خوبی داشته و حتی پس از ۵۰۰ چرخه شارژ سریع، همچنان بخش عمده ظرفیت خود را حفظ کرده است. او معتقد است این کشف میتواند به خودروهای الکتریکی کمک کند تا تنها در چند دقیقه شارژ شوند، بدون اینکه عمر باتری یا چگالی انرژی قربانی شود.
آینده خودروهای برقی با این فناوری چگونه خواهد بود؟
اگر این فناوری بتواند از مرحله آزمایشگاهی عبور کند و وارد تولید انبوه شود، میتواند تحول بزرگی در بازار خودروهای برقی ایجاد کند. یکی از مهمترین دغدغههای خریداران خودروهای الکتریکی، زمان طولانی شارژ است. اما باتریهایی که در کمتر از ۱۰ دقیقه تا بیش از ۹۰ درصد شارژ شوند، میتوانند تجربه استفاده از خودروهای برقی را به خودروهای بنزینی نزدیکتر کنند.
البته محققان تأکید میکنند که هنوز مسیر تجاریسازی این فناوری به پایان نرسیده است. گام بعدی تیم تحقیقاتی، توسعه مقیاس صنعتی و آزمایش عملکرد این باتریها در شرایط واقعی عملیاتی خواهد بود. اگر نتایج در مقیاس واقعی نیز موفقیتآمیز باشد، احتمالاً در سالهای آینده شاهد ورود نسل تازهای از خودروهای برقی با شارژ فوق سریع خواهیم بود.
دستاورد جدید دانشگاه آدلاید را میتوان یکی از مهمترین پیشرفتهای سالهای اخیر در حوزه باتریهای لیتیومی دانست. ترکیب شارژ ۸۵ درصدی در ۶ دقیقه، چگالی انرژی ۲۴۰.۴ واتساعت بر کیلوگرم، حفظ ۷۶ درصد ظرفیت پس از ۵۰۰ چرخه شارژ سریع و دستیابی به راندمان کولمبیک ۹۹.۹۴ درصدی، نشان میدهد این فناوری فراتر از یک آزمایش ساده آزمایشگاهی است.
اگر این فناوری بتواند مراحل توسعه صنعتی را با موفقیت پشت سر بگذارد، آینده خودروهای برقی میتواند دگرگون شود؛ آیندهای که در آن شارژ خودرو تنها چند دقیقه زمان میبرد و نگرانی درباره افت سریع کیفیت باتری تا حد زیادی از بین خواهد رفت.
