مواد کاتد باتری جدید می تواند بازار خودروهای برقی را متحول کند

(موسسه فناوری جورجیا: آتلانتا) — یک تیم تحقیقاتی به رهبری Hailong Chen از جورجیا تک یک کاتد کلرید آهن ارزان قیمت برای باتری های لیتیوم یون ایجاد کرده است که می تواند باتری های لیتیوم یونی (LIBs) را به طور اساسی بهبود بخشد و به طور بالقوه بازار خودروهای الکتریکی (EV) را متحول کند. سیستم های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ

برای مدت طولانی، مردم به دنبال جایگزینی کم‌هزینه و پایدارتر برای مواد کاتدی موجود بودند. چن، دانشیار با قرار ملاقات در جورج دبلیو، می‌گوید: فکر می‌کنم ما یکی داریم. دانشکده مهندسی مکانیک وودراف و دانشکده علوم و مهندسی مواد.

ماده انقلابی، کلرید آهن (FeCl₃) تنها 1 تا 2 درصد از مواد کاتدی معمولی هزینه دارد و می تواند همان مقدار برق را ذخیره کند. مواد کاتدی بر ظرفیت، انرژی و کارایی تأثیر می گذارند و نقش عمده ای در عملکرد، طول عمر و مقرون به صرفه بودن باتری دارند.

چن، تیمش می‌گوید: «کاتد ما می‌تواند بازی را تغییر دهد کار خود را در پایداری طبیعت. این امر بازار خودروهای برقی و کل بازار باتری‌های لیتیوم یونی را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

اولین بار توسط سونی در اوایل دهه 1990 تجاری شد، LIB ها جرقه انفجاری در لوازم الکترونیکی شخصی مانند گوشی های هوشمند و تبلت ها زدند. این فناوری در نهایت برای سوخت خودروهای الکتریکی پیشرفت کرد و منبع انرژی قابل اطمینان، قابل شارژ و با چگالی بالا را فراهم کرد. اما بر خلاف لوازم الکترونیکی شخصی، کاربران انرژی در مقیاس بزرگ مانند خودروهای برقی به ویژه به هزینه LIB حساس هستند.

باتری‌ها در حال حاضر حدود 50 درصد از هزینه کل خودروهای برقی را بر عهده دارند، که باعث می‌شود این خودروهای با انرژی پاک گران‌تر از خودروهای احتراق داخلی و گازهای گلخانه‌ای خود باشند. اختراع تیم چن می تواند آن را تغییر دهد.

ساخت باتری بهتر

در مقایسه با باتری‌های قلیایی و سرب اسیدی قدیمی، LIBها انرژی بیشتری را در بسته‌بندی کوچک‌تر ذخیره می‌کنند و دستگاه را بین مدت زمان بیشتری شارژ می‌کنند. اما LIB ها حاوی فلزات گران قیمت از جمله عناصر نیمه قیمتی مانند کبالت و نیکل هستند و هزینه ساخت بالایی دارند.

تاکنون تنها چهار نوع کاتد با موفقیت برای LIB ها تجاری سازی شده است. Chen’s پنجمین خواهد بود و یک گام بزرگ به جلو در فناوری باتری – توسعه یک LIB کاملاً جامد است.

LIB های معمولی از الکترولیت های مایع برای انتقال یون های لیتیوم برای ذخیره و آزادسازی انرژی استفاده می کنند. آنها محدودیت های سختی برای ذخیره انرژی دارند و می توانند نشت کنند و آتش بگیرند. اما LIB های تمام حالت جامد از الکترولیت های جامد استفاده می کنند که به طور چشمگیری کارایی و قابلیت اطمینان باتری را افزایش می دهد و آن را ایمن تر و قادر به نگهداری انرژی بیشتری می کند. این باتری ها که هنوز در مرحله توسعه و آزمایش هستند، پیشرفت قابل توجهی خواهند داشت.

در حالی که محققان و تولیدکنندگان در سرتاسر سیاره برای عملی کردن فناوری حالت جامد رقابت می کنند، چن و همکارانش راه حلی مقرون به صرفه و پایدار ایجاد کرده اند. با FeCl₃ کاتد، یک الکترولیت جامد، و یک آند فلزی لیتیوم، هزینه کل سیستم باتری آنها 30-40٪ LIB های فعلی است.

چن می‌گوید: «این نه تنها می‌تواند خودروهای الکتریکی را بسیار ارزان‌تر از خودروهای احتراق داخلی کند، بلکه شکلی جدید و امیدوارکننده از ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ را ارائه می‌کند که انعطاف‌پذیری شبکه الکتریکی را افزایش می‌دهد.» علاوه بر این، کاتد ما پایداری و ثبات زنجیره تامین بازار خودروهای برقی را تا حد زیادی بهبود می بخشد.

شروع محکم برای کشف جدید

علاقه چن به FeCl₃ به عنوان یک ماده کاتدی که با تحقیقات آزمایشگاهی او در مورد مواد الکترولیت جامد منشا گرفته است. از سال 2019، آزمایشگاه او سعی کرد باتری‌های حالت جامد را با استفاده از الکترولیت‌های جامد مبتنی بر کلرید با کاتدهای تجاری مبتنی بر اکسید تجاری بسازد. خوب پیش نرفت؛ مواد کاتد و الکترولیت با هم هماهنگ نبودند.

محققان بر این باورند که یک کاتد مبتنی بر کلرید می تواند جفت بهتری با الکترولیت کلرید برای ارائه عملکرد بهتر باتری فراهم کند.

ما یک نامزد پیدا کردیم (FeCl₃) ارزش امتحان را دارد، زیرا ساختار کریستالی آن به طور بالقوه برای ذخیره و انتقال یون‌های لیتیوم مناسب است و خوشبختانه همانطور که انتظار داشتیم عمل کرد.

در حال حاضر، پرطرفدارترین کاتدهای مورد استفاده در خودروهای الکتریکی، اکسیدها هستند و به مقدار عظیمی از نیکل و کبالت گران قیمت نیاز دارند، عناصر سنگینی که می‌توانند سمی باشند و چالش‌های محیطی ایجاد کنند. در مقابل، کاتد تیم چن فقط حاوی آهن (Fe) و کلر (Cl) است – عناصر فراوان، مقرون به صرفه و پرکاربرد موجود در فولاد و نمک خوراکی.

در آزمایشات اولیه خود، FeCl₃ مشخص شد که به خوبی یا بهتر از سایر کاتدهای بسیار گران‌تر عمل می‌کند. به عنوان مثال، ولتاژ عملیاتی بالاتری نسبت به کاتد محبوب LiFePO دارد₄ (فسفات آهن لیتیوم یا LFP)، که نیروی الکتریکی است که باتری هنگام اتصال به دستگاه ایجاد می کند، مشابه فشار آب از شلنگ باغچه.

این فناوری ممکن است کمتر از پنج سال از قابلیت تجاری در خودروهای برقی باشد. در حال حاضر، این تیم به بررسی FeCl ادامه خواهد داد₃ و مواد مرتبط به گفته چن.

این کار توسط چن و دکتر ژانتائو لیو (نویسنده اصلی مطالعه) رهبری شد. همکاران شامل محققانی از مدرسه وودراف (Ting Zhu) در جورجیا تک و دانشکده علوم زمین و جو (Yuanzhi Tang)، و همچنین آزمایشگاه ملی اوک ریج (جو لیو) و دانشگاه هیوستون (شوو چن).

چن می‌گوید: «ما می‌خواهیم مواد را تا حد امکان در آزمایشگاه کامل کنیم و مکانیسم‌های عملکرد زیرین را درک کنیم. اما ما فرصت‌هایی برای افزایش مقیاس فناوری و سوق دادن آن به سمت برنامه‌های تجاری باز داریم.»

نقل قول: Zhantao Liu، Jue Liu، Simin Zhao، Sangni Xun، Paul Byaruhanga، Shuo Chen، Yuanzhi Tang، Ting Zhu، Hailong Chen. “کاتد تری کلرید آهن کم هزینه برای باتری های لیتیوم یون تمام حالت جامد.” پایداری طبیعت.

تامین مالی: بنیاد ملی علوم (گرنت شماره 1706723 و 2108688)

Hailong Chen (سمت چپ) و Zhantao Liu یک کاتد جدید و کم‌هزینه برای باتری‌های لیتیوم یونی تمام حالت جامد ارائه می‌کنند. عکس جری گریلو.