فناوری الکترولیت جدید از CUHK مسائل ایمنی باتری لیتیوم-یونی را حل می‌کند

از باتری‌های قابل شارژ در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل تا منابع انرژی برای دوچرخه‌های برقی و وسایل نقلیه انرژی نو، حوادث ایمنی ناشی از آتش‌سوزی و احتراق باتری‌های لیتیوم-یونی به طور فزاینده‌ای به کانون توجه جهانی تبدیل شده است. طبق گزارشی از CNN در تاریخ ۲۲، یک فناوری جدید که توسط یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه چینی هنگ کنگ (CUHK) توسعه یافته است، می‌تواند به طور قابل توجهی خطر انفجار و آتش‌سوزی باتری‌های لیتیوم-یونی را کاهش دهد و انتظار می‌رود این فناوری در ۳ تا ۵ سال آینده به طور تجاری مورد استفاده قرار گیرد.

گزارش اشاره می‌کند که باتری‌های لیتیوم-یونی به طور گسترده‌ای در دستگاه‌های مختلف از جمله گوشی‌های هوشمند تا وسایل نقلیه انرژی نو استفاده شده‌اند. محققان بیان کردند که باتری‌های لیتیوم-یونی تحت سناریوهای استفاده عادی ایمنی خوبی دارند، اما استفاده نادرست ممکن است منجر به خطرات آتش‌سوزی و حتی عواقب مرگبار در موارد شدید شود. دلیل این امر این است که الکترولیت پر شده در داخل باتری‌های لیتیوم-یونی قابل اشتعال است. هنگامی که تحت فشار فیزیکی، شارژ بیش از حد، شرایط دما و رطوبت شدید، یا نقص‌های فرآیند تولید قرار می‌گیرند، باتری‌ها به تدریج ثبات خود را از دست می‌دهند. به محض وقوع یک ناهنجاری، دمای باتری به سرعت افزایش می‌یابد و الکترولیت را مشتعل می‌کند و بدین ترتیب یک واکنش زنجیره‌ای خطرناک به نام "فرار حرارتی" را تحریک می‌کند. داده‌های آماری مربوطه نشان می‌دهد که تنها در سال 2024، 89 حادثه مرتبط با باتری شامل دود، آتش یا ناهنجاری‌های دما بالا در بخش حمل و نقل هوایی غیرنظامی جهانی ثبت شده است؛ در زندگی روزمره، حوادث آتش‌سوزی باتری‌های دوچرخه‌های برقی، اسکوترهای برقی و سایر دستگاه‌ها نیز چندان نادر نیستند.

برای رفع این نقطه ضعف ایمنی، جامعه تحقیقاتی علمی جهانی به طور فعال تحقیقاتی در زمینه فناوری انجام داده است، مانند توسعه الکترولیت‌های جامد یا ژل با مقاومت بالا در برابر دما برای جایگزینی الکترولیت‌های مایع سنتی. با این حال، چنین راه‌حل‌هایی نیاز به تغییرات وسیع در خطوط تولید باتری موجود دارند که به طور قابل توجهی آستانه صنعتی‌سازی را افزایش می‌دهد و سرعت گسترش فناوری را محدود می‌کند. در مقابل، طرح بهینه‌سازی جدید باتری لیتیوم-یونی که توسط تیم CUHK پیشنهاد شده است، تنها نیاز به جایگزینی اجزای شیمیایی در الکترولیت موجود دارد بدون اینکه لینک‌های اصلی فرآیند تولید تغییر کند.

محققان از تیم توضیح دادند که علت اصلی آتش‌سوزی‌های باتری‌های لیتیوم-یونی تجزیه الکترولیت تحت فشار بالا است که مقدار زیادی گرما آزاد کرده و یک واکنش زنجیره‌ای را آغاز می‌کند. الکترولیت جدید توسعه‌یافته از یک سیستم حلال دوتایی استفاده می‌کند که می‌تواند به‌طور دقیق این فرآیند واکنش خطرناک را مسدود کند. در شرایط دمایی عادی، حلال اول می‌تواند فشردگی ساختار شیمیایی داخلی باتری را حفظ کرده و خروجی عملکرد نرمال باتری را تضمین کند؛ هنگامی که دمای باتری به‌طور غیرعادی افزایش می‌یابد، حلال دوم به‌سرعت مکانیزم حفاظت را فعال می‌کند و با شل کردن ساختار شیمیایی و کند کردن واکنش‌های مرتبط با فرار حرارتی، از خطرات آتش‌سوزی از منبع جلوگیری می‌کند.

CNN به داده‌های آزمایشگاهی اشاره کرد که نشان می‌دهد پس از اینکه باتری لیتیوم-یونی که از این فناوری جدید استفاده می‌کند، توسط یک میخ سوراخ شد، دما تنها ۳.۵ درجه سلسیوس افزایش یافت؛ در مقابل، دمای باتری‌های لیتیوم-یونی سنتی تحت همان شرایط آزمایش به ۵۵۵ درجه سلسیوس افزایش یافت. محققان تأکید کردند که این طرح فنی تأثیر منفی بر عملکرد اصلی و عمر مفید باتری نخواهد داشت. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که پس از ۱۰۰۰ چرخه شارژ-دشارژ، ظرفیت باتری هنوز می‌تواند بیش از ۸۰٪ از ارزش اولیه را حفظ کند و به طور کامل نیازهای کاربرد تجاری را برآورده می‌کند.

شایان ذکر است که از آنجایی که این فناوری تنها شامل جایگزینی اجزای الکترولیت بدون نیاز به تغییر خطوط تولید موجود است، شرایط اولیه برای صنعتی شدن سریع را دارد. برآورد می‌شود که پس از تولید انبوه، هزینه باتری‌های لیتیوم-یونی که از این فناوری استفاده می‌کنند، به طور کلی با هزینه محصولات اصلی فعلی برابر خواهد بود. در حال حاضر، فناوری مربوطه وارد مرحله پیشرفت تجاری شده است. دونالد فینگان، دانشمند ارشد آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر ایالات متحده، اظهار داشت: "این پیشرفت فناوری هیجان‌انگیز است و به این معنی است که باتری‌های لیتیوم-یونی آینده قادر خواهند بود شرایط کاری شدید مانند دماهای بالا و اتصال کوتاه را تحمل کنند و به طور بنیادی خطرات آتش‌سوزی را از بین ببرند."