باتری‌های لیتیوم یونی به‌عنوان یکی از ارکان اساسی در خودروهای الکتریکی (EV) و ذخیره‌سازی انرژی، نقشی حیاتی درگذار جهان به سوی انرژی‌های پاک ایفا می‌کنند. درحالی‌که خودروهای الکتریکی روزبه‌روز محبوب‌تر می‌شوند، دوام و عملکرد باتری‌ها همچنان یکی از چالش‌های اساسی این فناوری محسوب می‌شود. پیشرفت‌های اخیر در تحقیقات دانشگاه دالهوسی کانادا، افق‌های تازه‌ای برای افزایش عمر باتری‌ها باز کرده است. به گزارش تجارت‌نیوز؛ با گسترش سریع استفاده از خودروهای الکتریکی و تلاش جهانی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، نیاز به باتری‌هایی که بتوانند طول عمر بیشتری داشته باشند و هزینه‌های کلی را کاهش دهند، بیش از پیش احساس می‌شود. در این تحقیقات که با پشتیبانی شرکت تسلا کانادا و شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی (NSERC) انجام شده، پژوهشگران موفق به طراحی نوع جدیدی از باتری لیتیوم یونی شده‌اند که با استفاده از الکترود تک‌کریستالی توانسته است بیش از 20.000 چرخه شارژ-دشارژ را تحمل کند. این میزان معادل طی مسافت تقریبی پنج میلیون مایل برای یک خودرو الکتریکی است. این کشف بزرگ، نه‌تنها می‌تواند به افزایش طول عمر خودروهای برقی کمک کند، بلکه کاربردهای گسترده‌ای در ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر و کاهش ضایعات الکترونیک دارد.

بررسی دقیق دستاوردها

۱. طراحی نوآورانه با استفاده از الکترود تک‌کریستالی

باتری جدید به‌جای استفاده از الکترودهای متداول چندکریستالی، از الکترودهای تک‌کریستالی بهره می‌برد. این طراحی خاص باعث می‌شود باتری در برابر تخریب ناشی از چرخه‌های مکرر شارژ و دشارژ مقاوم‌تر باشد.

مشکل الکترودهای چندکریستالی: در باتری‌های معمولی، لیتیوم با حرکت در داخل ماده الکترود، باعث انبساط و انقباض مکرر آن می‌شود. این فرآیند، منجر به ترک‌خوردگی‌های میکروسکوپی و تخریب ساختار الکترود می‌شود که در نهایت عمر باتری را کاهش می‌دهد.

مزیت الکترود تک‌کریستالی: ساختار یکپارچه این الکترودها مانع از ایجاد ترک و تخریب شده و عملکرد باتری را حتی پس از شش سال آزمایش مداوم، در حد یک باتری جدید حفظ می‌کند.

۲. استفاده از فناوری سنکروترون فوق‌روشن

برای بررسی عملکرد این باتری‌ها، پژوهشگران از سنکروترون فوق‌روشن در دانشگاه ساسکاچوان استفاده کردند. این ابزار قدرتمند امکان مطالعه باتری‌ها در سطح میکروسکوپی و بدون نیاز به جداسازی سلول‌ها را فراهم می‌کند. در باتری‌های معمولی، ترک‌های کوچک به‌تدریج ساختار الکترود را از بین می‌برند. اما در باتری‌های تک‌کریستالی، چنین تخریب‌هایی مشاهده نشد. پژوهشگران حتی پس از شش سال آزمایش نتوانستند بین یک سلول جدید و یک سلول شش‌ساله تفاوتی قائل شوند.

۳. شباهت به گلوله برفی در برابر مکعب یخ

محققان تفاوت ساختاری بین باتری‌های متداول و باتری‌های تک‌کریستالی را با یک تشبیه ساده توضیح دادند: الکترودهای چندکریستالی شبیه گلوله برفی هستند که از دانه‌های ریز برف تشکیل شده‌اند. این دانه‌ها با گذشت زمان ترک خورده و از هم فرو می‌پاشند. الکترودهای تک‌کریستالی مانند یک مکعب یخ مستحکم عمل می‌کنند که در برابر فشار و تغییرات مکرر، مقاوم و پایدار باقی می‌مانند.

۴. رکوردی بی‌سابقه در دوام باتری‌ها

باتری‌های جدید توانستند بیش از 20. 000 چرخه شارژ-دشارژ را تحمل کنند، بدون اینکه ظرفیت آنها به زیر ۸۰ درصد کاهش یابد. این میزان، رکوردی چشمگیر است و نشان‌دهنده ظرفیت بی‌نظیر این فناوری در افزایش طول عمر باتری‌های لیتیوم یونی است.

کاربردها و اثرات عملی

۱. انقلابی در صنعت خودروهای الکتریکی

دوام بیشتر این باتری‌ها به این معناست که خودروهای الکتریکی می‌توانند عمری طولانی‌تر داشته باشند و نگرانی‌های مربوط به هزینه بالای جایگزینی باتری کاهش یابد. این امر می‌تواند جذابیت خودروهای الکتریکی را افزایش داده و به تسریع پذیرش آنها در سطح جهانی کمک کند.

۲. استفاده مجدد در ذخیره‌سازی انرژی

هنگامی که خودروهای الکتریکی به پایان چرخه عمر خود می‌رسند، این باتری‌ها می‌توانند در ذخیره‌سازی انرژی از منابع تجدیدپذیر مانند نیروگاه‌های بادی و خورشیدی مورد استفاده قرار گیرند. این کاربرد دوگانه، بهره‌وری اقتصادی را افزایش داده و به کاهش ضایعات الکترونیک کمک می‌کند.

۳. کاهش اثرات زیست‌محیطی

دوام طولانی‌تر باتری‌ها باعث کاهش نیاز به تولید و بازیافت مداوم باتری‌های جدید می‌شود. این امر نه‌تنها مصرف منابع طبیعی را کاهش می‌دهد، بلکه اثرات زیست‌محیطی ناشی از تولید و بازیافت باتری‌ها را نیز به حداقل می‌رساند. پیشرفت‌های به‌دست‌آمده در دانشگاه دالهوسی، نمایانگر گامی بزرگ در مسیر توسعه فناوری باتری‌های لیتیوم یونی است. باتری‌های تک‌کریستالی با دوام استثنایی و طراحی نوآورانه خود، می‌توانند نقش کلیدی در گسترش خودروهای الکتریکی و ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر ایفا کنند. این دستاورد، نه‌تنها به کاهش هزینه‌ها و افزایش کارایی خودروهای الکتریکی کمک می‌کند، بلکه به بهبود پایداری زیست‌محیطی و کاهش ضایعات الکترونیک نیز منجر می‌شود.

با ادامه تحقیقات و توسعه این فناوری، می‌توان انتظار داشت که باتری‌های تک‌کریستالی به یکی از ارکان اصلی آینده‌ای پایدار و سبز تبدیل شوند. باتری‌هایی با چنین دوام و کارآیی، می‌توانند انگیزه‌ای قوی برای پذیرش گسترده‌تر خودروهای الکتریکی در سراسر جهان باشند و به تحقق اهداف جهانی در زمینه کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کنند. این دستاورد، نویدبخش آینده‌ای روشن برای صنعت انرژی و حمل‌ونقل پایدار است.