حتماً براتون پیش اومده که گوشی یا لپتاپتون بعد یه مدت حس میکنید باتریش زودتر خالی میشه، در حالیکه درصد شارژش مثل قبل نشون داده میشه. خب، این ماجرا بیشتر توی باتریهای لیتیوم-یون قویتر هم هست و یه مشکلی به اسم “افت ولتاژ” یا همون Voltage fade وجود داره که یواشکی امتیاز باتری رو میخوره، حتی قبل از اینکه ظرفیتش کامل تموم بشه! ولی الان محققهای دانشگاه نانکای چین یه راهحل عجیب پیدا کردن که این افت ولتاژ رو از ریشه حل میکنه.
ماجرا از این قراره که این بچهها اومدن باتریهایی که به اسم کاتدهای لایهای غنی از لیتیوم (LRLO) معروفن رو دستکاری کردن. LRLO های یه جور کاتد خاص هستن واسه باتریهایی که قراره توی ماشینای برقی یا ذخیره انرژی شبکهای استفاده بشن. قلق اصلیشون اینه که میتونن ظرفیت بیشتری بدن چون علاوه بر واکنش فلز، اکسیژن هم تو جریان شارژ و دشارژ نقش داره. (واکنشهای anion redox یعنی موقع تخلیه و شارژ باتری، نه فقط فلزات، بلکه اکسیژن هم وارد بازی میشه). ولی مشکل اینجاست که همین کار باعث میشه ساختار باتری خراب بشه، اکسیژن از دست بره و افت ولتاژ شدید پیش بیاد.
تا حالا کلی راه امتحان کردن: پوشش سطح باتری، جابهجا کردن ترکیبات شیمیایی، اضافه کردن عناصر دیگه (که به این کار doping یا دوپینگ میگن، یعنی وارد کردن یه عنصر جدید تو ساختار)، ولی همه اینا نهایتاً چند ده سیکل جواب داده و افاقه نکرده.
کاری که تیم چینی کرده اینه که یه روش جدید واسه doping پیاده کردن. معمولاً عناصر جدید رو توی موقعیتهای اکتاهدرال (octahedral site یعنی محلهای خاصی تو کریستال، مثل گوشه ششوجهیها) وارد میکنن، اما اینا اومدن تنگستن رو تو نقاط تتراهدرال (tetrahedral site یعنی محل چهاروجهی) کار گذاشتن؛ جایی که قبلاً کسی امیدی بهش نداشت چون عموماً پایداری نداره.
مقدار تنگستن استفادهشده هم خیلی ناچیزه، زیر یک درصد اتمی! مثلاً تو فرمول شیمیاییشون از Li₁.₂Mn₀.₆Ni₀.₂O₂ استفاده کردن و تنگستن (W⁶⁺) رو دقیقاً توی فضای چهاروجهی قرار دادن.
ابزارهای پیشرفتهشون (مثل high-angle annular dark-field imaging که واسه تصویر برداری اتمیه) نشون داده واقعاً تنگستن رفته سر جاش تو همین محل تتراهدرال. این قضیه واسه بار اوله که رسماً اثبات شد از این نقطه هم میشه دوپینگ انجام داد!
حالا چرا این مهمه؟ هر اتم تنگستن که اونجا هست، بدون اینکه محدود به فضای کوچیک خودش باشه، یه اثر تدافعی تو منطقه تقریباً دو نانومتری (هر نانومتر یک میلیاردم متر!) ایجاد میکنه. اسم این اثر Coulomb repulsionـه، یعنی دافعه الکتریکی که باعث میشه فلزات سنگین دیگه جابهجا نشن و ساختار کریستالی به هم نریزه. این خاصیت اضطراب یا تنشی که ایجاد میشه رو هم همین ساختار لیتیم-اکسیژن اطرافش به خود جذب میکنه و در نتیجه دیگه ساختار تخریب نمیشه.
میخواید فرقش رو ببینید؟ یه نمونه بدون تنگستن رو فقط ۲۰ بار شارژ/دشارژ کنید، اون آرایش معروف ششضلعی (honeycomb ordering)ش بهم میریزه. اما نمونهای که توش تنگستن کار گذاشتن، حتی بعد از ۲۵۰ سیکل هنوز اون ساختار سالمه!
آزمایشهای دیگه مثل X-ray diffraction نشون دادن میزان کشیده شدن (strain) lattice موقع شارژ خیلی کم میشه، یعنی دیگه اون مهاجرت دردسرساز فلزات انتقالی رو نداریم. بررسیهای Electron energy-loss spectroscopyهـ هم ثابت کرده که تعداد مکانهای خالی اکسیژن (oxygen vacancy) و از دست رفتن اکسیژن به شدت کم شده؛ دو تا عامل اصلی افت ولتاژ کنترل شدهان.
تو همه این آزمونها، بهترین مقدار تنگستن چیزی حدود 0.75 درصد اتمی بوده؛ هم ظرفیت باتری رو نگه میداره، هم میزان افت ولتاژ بعد از ۲۰۰ چرخه فقط ۰.۱۵ ولت میشه و این نسبت به کاتدهای بدون تنگستن واقعاً عالیه.
یعنی این تیم نشون داده کافیه خیلی کم یه عنصر جدید رو درست جای خودش بگذاری، اونوقت میشه پایداری بلندمدت ساختار رو واسه انواع کاتدهای لایهای تضمین کرد. ایده اینه که از این پس بشه این ترفند رو تو نسل جدید باتریهای با ظرفیت بالا و طول عمر زیاد پیاده کرد. در کل، این دستاوردها راهِ تجاریسازی باتریهایی که با LRLO ساخته میشن رو خیلی راحتتر میکنه و دنیای ماشینای برقی و ابزارهای هوشمند رو هم به جلو هُل میده!
منبع: +
