گروه دانشگاه خبرگزاري آنا- هانا حيدري؛ باتريهاي ليتيوم يوني كه در گوشيهاي هوشمند و لپتاپ استفاده ميشود، شامل چهار بخش اصلي كاتد، آند، الكتروليت و جداكننده (سپراتور يا غشا) است. هر كدام از اين اجزا نقش خاصي را ايفا ميكنند، براي مثال جداكننده همان غشايي است كه اجازه عبور يون ليتيوم ميان آند و كاتد را ميدهد و مانع از اتصال اين دو الكترود به يكديگر ميشود.
مشكل باتريهاي ليتيوم يوني كجاست؟
در باتريهاي ليتيوم يوني حركت يون ليتيوم از آند به كاتد و بالعكس منجر به شارژ و ديشارژ شدن ميشود. جداكننده باتريهاي فعلي از جنس پلياُلِفينهايي چون پلياتيلن است كه براي باتريهاي قديميتر طراحي شده بود. درواقع جداكنندهاي براي باتريهاي ليتيوم يوني طراحي نشده و از همان جداكننده قديمي در اين باتريها نيز استفاده ميشود. اين امر باعث بروز مشكلاتي چون پايداري حرارتي پايين و ايمني كم شده است.
پلياتيلن در دماي بالاي 100 درجه شروع به كوچك شدن ميكند و در دماي 120 درجه به طور كامل ذوب ميشود. برخي از شركتهاي توليدكننده براي رفع اين مشكلات لايه سراميكي روي جداكننده باتريهاي ليتيوم يون نشاندهاند كه منجر به افزايش ايمني و پايداري حرارتي آن شود. با اين حال معضلات باتريهاي ليتيوم يوني هنوز به طور كامل رفع نشده است.
طراحي جداكننده مخصوص براي باتريهاي ليتيوم يوني
حال يك گروه تحقيقاتي ايراني با استفاده از الياف نانويي جداكننده جديدي براي باتريهاي ليتيوم يوني طراحي كردهاند كه پايداري حرارتي آن تا دماي 180 درجه است. بدينترتيب اين باتري تا دماي 180 درجه نهتنها كوچك، چروك و جمع نميشود بلكه مانع از اتصال دو الكترود ميشود. اين امر ايمني و پايداري باتريهاي ليتيوم يوني را به طور قابلتوجهي افزايش ميدهد.
به گفته اميد جوادي، يكي از محققان اين پژوهش؛ اين جداكننده به طور ويژه براي باتريهاي ليتيوم يوني و براساس الزامات مورد نياز يك «سپراتور» (غشاء) طراحي شده و علاوه بر اين پارامترهاي ديگري چون كنترل تخلخل نيز در آن در نظر گرفته شده است. تخلخل 40 درصد براي جداكننده باتريهاي ليتيوم يون از جمله عوامل مهم در نفوذپذيري به شمار ميرود. هرچه تخلخل بالا باشد، نفوذپذيري و جذب الكتروليت افزايش مييابد. ميزان تخلخل اين جداكننده بيش از 60 درصد است و توانايي هدايت يوني آن بالايي دارد.
الكتروليت بايد آبدوست باشد!
جداكنندههايي كه در باتريهاي ليتيوم يوني فعلي استفاده ميشود، آبگريز است و الكتروليت را جذب نميكند. اين امر باعث ميشود الكتروليت به شكل مايعِ جدا از سپراتور داخل باتري بماند. نقش الكتروليت حمل يون ليتيوم است، بنابراين اگر الكتروليت آبدوست باشد، به طور دائم داخل جداكننده باقي ميماند و جابهجايي يون ليتيوم نيز آسانتر ميشود.
جوادي ميگويد؛ از آنجايي كه جداكننده الكتروليت را جذب نميكند، الكتروليت به حالت مايع باقي ميماند. جدايي الكتروليت و سپراتور باعث ميشود برخي از مناطق جداكننده خشك شوند كه اين امر باعث كاهش طول عمر باتري ميشود. جداكنندهاي كه توسط اين گروه تحقيقاتي طراحي شده قادر است تا 500 درصد (500 برابر وزن خود) الكتروليت جذب كند، بنابراين جداكننده هرگز خشك نميماند و طول عمر آن نيز افزايش مييابد.
عرضه باتريهاي ليتيوم يوني با عمر طولاني تا 6 ماه آينده
جداكننده حالت غشاءمانندي دارد و دانشمندان ايراني با استفاده از نانوالياف نانومحصولي ارائه كردهاند كه طول عمر باتريهاي ليتيوم يوني را افزايش ميدهد. اين پروژه با حمايت ستاد توسعه فناوري نانو معاونت علمي و فناوري رياست جمهوري و با همكاري يك شركت توليدكننده دستگاه الكتروليسي انجام ميشود. گروه تحقيقاتي بيش از يك سال روي توسعه اين جداكننده باتري كار كردهاند. فاز آزمايشگاهي اين محصول با موفقيت پيش رفته، نمونه اوليه آن ساخته شده و پژوهشگران در حال طراحي و ساخت نمونه نيمهصنعتي براي عرضه به بازار هستند.
پيشبيني ميشود باتريهاي ليتيوم يوني حاوي جداكننده جديد تا 6 ماه ديگر به بازار عرضه شود. اين امر ميتواند تحول شگرفي در صنعت باتري ايجاد كند. باتريهاي ليتيوم يون كاربردهاي بسياري در زمينههاي مختلف مانند گوشي هوشمند، دوربين عكاسي و حتي خودروهاي برقي و هيبريدي دارد. بنابراين افزايش عمر اين باتريهاي پركاربرد نهتنها يكي از مشكلات بسياري از صنايع را حل ميكند بلكه به حفظ محيط زيست نيز كمك ميكند.