اگه همیشه برات سؤال بوده چرا باتریهای لیتیومی مخصوصاً اونایی که فلز لیتیوم توشونه هنوز خیلی رایج نشدن، این مطلب دقیقاً حرف دلته! اخیراً یه تیم دانشمند از دانشگاه نانکای چین، یه راهحل باحال برای مشکلات مهم باتریهای لیتیومفلزی پیدا کردن که با کمک افزودنیهای بورونی اتفاق میافته.
بیایید اول یه کم قضیه رو باز کنیم. باتریهایی که فلز لیتیوم رو به عنوان آند (یعنی همون قطب منفی باتری که الکترونها ازش خارج میشن) استفاده میکنن، انرژی فوقالعاده بالایی دارن؛ مثلاً چجوری؟ تا ۵۰۰ واتساعت بر کیلوگرم انرژی ذخیره میکنن، که واسه دنیای باتریها یه عدد خفن حساب میشه!
اما این باتریها یه مشکل بزرگ دارن: ایجاد دندریتهای لیتیومی. دندریت همون شاخههای عجیب و غریبی هست که از لیتیوم درمیاد و اگه زیاد بشه میتونه باعث اتصال کوتاه و حتی انفجار باتری بشه! اضافه کن به این ماجرا، مشکلاتی مثل طول عمر کم و بازده پایین برگشتپذیری لیتیوم (که بهش میگن Coulombic efficiency یعنی نسبت باری که وارد و خارج پرده میشه)، خلاصه هنوز کاربرد واقعیش زیاد نشده.
حالا یادت باشه یکی از راههای مهم که برای حل این مشکلات پیشنهاد شده، بهینهسازی محلول الکترولیت باتریهاست. الکترولیت همون مایع یا ژل داخل باتریه که یونها رو جابجا میکنه. یه ترفند ارزون و خلاقانه برای بهبود الکترولیت اینه که بهش افزودنی (Additive) بزنی تا خواصش بهتر بشه.
اینجا بورون میاد وسط ماجرا! خود بورون یه عنصر شیمیاییه که خاصیت کمبود الکترون داره (یعنی خودش دوست داره الکترون جذب کنه). وقتی یه مقدار از ترکیبات بورون به الکترولیت باتری لیتیومی اضافه میکنن، کلی اتفاق خوب میافته:
-
بورون میتونه حل شدن Li2O (اکسید لیتیوم) رو راحتتر کنه. نتیجهش؟ مقاومت تبادل بار روی آند لیتیوم پایین میاد و باتری راحتتر کارشو انجام میده.
-
بعضی مدلهای باتری (مثل باتریهای لیتیوم/CFx) با این افزودنی بهتر میشن؛ چون بورون باعث میشه رسوبات مزاحم (مثلاً LiF) توی حفرات CFx حل بشه و باعث میشه یونهای لیتیوم بهتر توی باتری حرکت کنن. همین حرکت راحتتر یونها، ظرفیت دِشارژ (یعنی مقدار برقی که باتری موقع مصرف میده) رو میبره بالا و باتری توی شارژهای قوی هم بهتر عمل میکنه.
-
جالب اینجاست که بورون موقعی که تجزیه اکسیداتیو (یعنی تجزیه با اکسیژن) روی کاتد (قطب مثبت باتری) اتفاق میافته، کمک میکنه تا لایه محافظ قویای روی الکترولیت و کاتد ساخته بشه. این لایه باعث میشه باتری تو چرخههای متوالی دوام خیلی بالاتری داشته باشه؛ یعنی مثلا صدها بار شارژ و دشارژ بشه و همچنان سالم بمونه. همین قضیه رو بهش میگن Cycling stability.
حالا بیاید یه کم علمیتر نگاه کنیم. محققها اومدن و چهارتا افزودنی مختلف بر پایه بورون رو آزمایش کردن، هرکدوم با یه گروه شیمیایی متفاوت. برای اینکه بفهمن کدوم بهتره، یه فاکتور علمی به اسم پتانسیل الکترواستاتیکی (ESP) رو حساب کردن. این ESP نشون میده کدوم ترکیب بورونی میتونه یونهای منفی رو بیشتر جذب کنه. خلاصه توی این آزمایشها ترکیبی به اسم THFPB (ترایس هگزافلوئوروایزوپروپیل بورات) بالاترین ESP رو داشت. حالا این اسم طولانی رو لازم نیست حفظ کنی، فقط بدون قویترینشونه!
با آنالیز طیفی و شبیهسازی دینامیک مولکولی (MD simulation یعنی مدلسازی حرکت مولکولها با کامپیوتر)، مشخص شد THFPB باعث میشه یونها بهتر دور هم جمع بشن و لایه ی الکترولیت-الکترود محکمتری تشکیل بدن، مخصوصاً واسه کاتدهای با ولتاژ بالا.
بیاید نتیجهی نهایی رو ببینیم: باتریهایی با فرمول Li∥LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 (که بیشتر شبیه رمز به نظر میاد ولی باتریهای نسل جدیده)، وقتی یه مقدار از همین THFPB به الکترولیتشون اضافه شد، بعد از ۱۵۰ بار شارژ و دشارژ، هنوز ۸۰ درصد ظرفیت اولیهشون رو داشتن! یعنی واقعاً عالیه و نشون میده این افزودنیهای بورونی کارشون رو خوب بلدن.
تهِ داستان اینکه هنوز دربارهی اینکه دقیقاً چی باعث میشه این ترکیبات بورونی اینقدر اثر بذارن، کلی تحقیق مونده، ولی فعلاً معلوم شده ساختار ترکیبات بورون و اندازه یونها توی عملکرد نهایی خیلی نقش داره و راهشون رو توی علم باتری باز کردن!
پس دفعه بعدی که بحث از باتریهای لیتیومی شد، یادت باشه یه آدم باکلاس میتونی بگی: «بچهها، بورون رو به باتری اضافه کنین، معجزه میشه!»
منبع: +
