خب بذار از اینجا شروع کنم که دنیای ماشینای برقی مثل یه مسابقه بزرگه بین تکنولوژی‌ها! چون هرچی ماشینا برقی‌تر میشن، مجبوریم باتری‌هایی بسازیم که هم عمرشون زیاد باشه، هم ایمنی‌شون بره بالا. خبر خوب اینه که یه تیم علمی توی کره (از دانشگاه Pusan National University) با همکاری چندتا دانشگاه معروف امریکا مثل University of Illinois Chicago و Argonne National Laboratory، یه روش خیلی خفن برای ساخت باتری لیتیوم-یونی (همون Lithium-ion battery که اکثر ماشینای برقی دارن) درآوردن که انصافاً آینده‌اس.
حالا چرا این قضیه اینقدر مهمه؟ چون راندمان و عمر باتری‌های لیتیومی مستقیم ربط داره به ماده‌ای که برای اون قسمت کاتدش استفاده می‌کنیم. کاتد؟ آره، همون قطعه‌ای از باتری که موقع شارژ و دشارژ کلی بار الکتریکی جابجا می‌کنه. جالب اینجاست که هزینه ساخت کاتد تقریباً ۴۰ تا ۴۵ درصد کل قیمت باتری میشه! و خب دانشمندا همیشه دنبال این بودن که ترکیبات کاتد رو جوری تنظیم کنن که هم انرژی بیشتری ذخیره بشه، هم عمر و مقاومتش بالا بره، هم خیلی گرون نباشه.
توی چند سال اخیر اکثراً وُرداشتن نیکل (Nickel) رو زیاد کردن، چون نیکل باعث میشه انرژی بیشتری ذخیره بشه و قیمت نهایی کمتر دربیاد. ولی وقتی نیکل زیاد میشه، یه مشکل پیش میاد: واکنش‌های ناخواسته سطح بین کاتد و مابقی اجزای باتری زیاد میشه؛ یعنی اصطلاحاً interfacial robustness و mechanical integrity یعنی همون مقاومت سطحی و ساختاری باتری افت می‌کنه. اینا باعث میشه باتری‌ها سریع‌تر داغون شن و برای استفاده تو مقیاس زیاد مشکل درست کنن.
حالا دانشمندای کره‌ای اومدن سراغ یه تکنیک باحال به اسم FCG یا Full Concentration Gradient (در فارسی یعنی شیب غلظت کامل). این یعنی ترکیب مواد داخل کاتد از هسته تا سطح به‌صورت پیوسته و با یه شیب خاص عوض بشه. یه جور core-shell design هم بهش میگن—یعنی هسته و پوسته با ترکیب متفاوت. همین کار باعث میشه باتری‌ها هم ایمن‌تر بشن، هم عمرشون بیشتر بشه.
تا الان روش معمول تولید FCG این بود که دو تا مخزن محلول فلز می‌ساختن: یکی محلول غنی از نیکل (Ni)، یکی دیگه حاوی کبالت (Co) و منگنز (Mn). مخزن اول مستقیم وصل به واکنشگر، و مخزن دوم جوری ترکیب میشد که غلظت نیکل رو با زمان کاهش بده. منتها توی روش سنتی، نرخ ورود مخزن دوم ثابت بود، یعنی فقط یه جور شیب غلظت رو میتونستن بسازن. این محدودیت داشت و کسی نمی‌تونست برای هر شرایطی بهترین شیب رو طراحی کنه.
اینجا بود که یه اتفاق جذاب افتاد. توی این تحقیق جدید اومدن سرعت ورود مخزن دوم رو تابع زمان کردن؛ یعنی دیگه میشه هر جور شیبی، با هر مشخصاتی ساخت! هر کدوم از ویژگی‌های ترکیب (مثلاً میزان نیکل، کبالت و غیره) رو، مستقل از بقیه کنترل کنن—حتی میانگین ترکیب (average composition)، شیب (slope) و انحناء (curvature) رو جدا جدا تنظیم کنن. توضیح کوتاه: میانگین ترکیب یعنی نسبت کلی فلزات، شیب یعنی تغییر مقدارشون از مرکز تا سطح، و انحناء هم یعنی شدت و شکل منحنی تغییر ترکیب.
تازه، این تکنیک رو کامل اتوماتیک کردن؛ یعنی با یه ری‌اکتور خودکار (reactor system یعنی همون دستگاهی که کل واکنش ترکیب کاتد توش انجام میشه)، پنج مدل مختلف از کاتد FCG با نسبت Ni₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁(OH)₂ درست کردن که هم ترکیبشون خیلی دقیق تنظیم شده بود، هم با تصویر‌برداری‌های پیشرفته دوبعدی و سه‌بعدی (elemental mapping یعنی نقشه‌برداری مواد تشکیل‌دهنده) بررسی کردن و دقیقاً مطمئن شدن که همه چیز مثل برنامه پیش رفته.
این همکاری علمی، واقعاً بین‌المللی بود و تیم‌های مختلف، هر کدوم یه بخشی از پروژه رو جلو بردن: از طراحی و سنتز کاتدها توسط گروه دکتر Yoo، تا تحلیل‌های تصویری زیر نظر استاد Jordi Cabana و Robert F. Klie و کلی آزمایش دیگه.
در کل، این تکنولوژی می‌تونه یه آینده جدید برای باتری‌های ماشین برقی رقم بزنه؛ باتری‌هایی که ایمن‌ترن، عمرشون بیشتره و کمتر خراب میشن. خلاصه، اگه یکی دو سال دیگه ماشینای برقی جدید فوق‌العاده باتری داشتن، بدون پشتش همین پیشرفتای علمی خفن بوده!
منبع: +
