الکترولیت‌های حالت جامد غیر متعارف برای باتری‌های مبتنی بر لیتیوم

پیشرفت‌ها و چالش‌های اخیر

 خلاصه

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یون سنتی، باتری‌های حالت جامد (SSB[1]) با ایمنی و چگالی انرژی بالاتر شناخته می‌شوند، همین ایمنی و چگالی انرژی بالاتر باعث شده است الکترولیت حالت جامد (SSE[2]) توجه ویژه‌ای را به خود جلب کند. رایج ترین SSE ها را می‌توان در سه دسته‌بندی عمده جای داد: اکسیدها، سولفیدها و پلیمرها. این مقاله عمدتاً آخرین تحقیقات در مورد الکترولیت‌های حالت جامد غیر متعارف (USSEs[3]) مانند هالیدها، زئولیت‌ها و غیره را با تمرکز بر خواص، ساختار، هزینه‌ها، روش‌های سنتز و غیره ارائه می‌کند. اگرچه SSE‌ هایی مانند هالیدها کمتر شناخته شده هستند، اما به دلیل مزایای متعددی که دارند در حال تبدیل به موضوع بسیار داغی هستند، برخی از این نقاط قوت عبارتند از: الف) رسانایی یونی بیش از mS cm^-10.6  در دمای اتاق. ب) پتانسیل اکسیداسیون فراتر از 4 ولت، به این معنی که آنها نسبت به سایر انواع SSE پایدارتر هستند. ج) پایداری بالا در هوای خشک (یعنی جابجایی آسان‌تر در طول فرآیند ساخت)، بر خلاف سولفیدها که همزمان با تولید گازهای سمی تجزیه می‌شوند. د) برخی از هالیدها را می توان با روش فاز مایع سنتز کرد، که برای تولید انبوه مناسب‌تر است. در ادامه، برخی از USSE های متداول با SSE های معمولی مانند اکسیدها و الکترولیت‌های مایع در جنبه‌های مختلف مقایسه شده‌اند. این مقاله با بحث در مورد جهت‌گیری تحقیقات پیش‌رو برای USSE ها و چالش‌هایی که در کاربردهای عملی باید بر آن غلبه نمود، به پایان می‌رسد.

نتیجه‌گیری

مزایای ASSB[4] ها در مقایسه با SSE ها نه تنها در چگالی انرژی، بلکه در ایمنی و قیمت نیز مشهود است. حذف الکترولیت مایع در ASSB ها از خطرات ایمنی مانند نشت الکترولیت، گسترش تولید گاز و غیره جلوگیری می‌­کند. این پژوهش به بررسی SSE های غیر متعارف می‌پردازد.

در مقایسه با SSE هایی مانند بوروهیدریدها و MOF[5] ها که اهمیت تحقیقاتی آنها به طور موقت بسیار بیشتر از ارزش عملی آنهاست، HSSE[6] ها با پتانسیل عملیاتی شدن بالا در این مرحله جذاب­تر هستند و بیشتر مزایای اکسیدها و سولفیدها را با هم ترکیب می‌کنند. در مقایسه با اکسیدها، HSSE ها رسانایی یونی بالاتر، انعطاف پذیری بهتر و تماس سطحی آسان‌تری با الکترودها دارند. در مقایسه با سولفیدها، HSSE ها معمولا دریچه پایداری الکتروشیمیایی وسیع­‌تری دارند، پایداری بیشتری در هوا دارند و در صورت واکنش‌های جانبی گازهای مضری مانند H2S تولید نمی‌کنند. HSSE ها همچنین دارای محدوده دمای عملیاتی گسترده‌تر و رسانایی یونی بالاتری نسبت به الکترولیت‌های پلیمری حالت جامد دارند. در فرآیند سنتز این الکترولیت‌ها، دمای مورد نیاز نیز کمتر است و برخی از آنها را می‌توان به مقدار زیاد به روش فاز مایع سنتز کرد.

با این حال، این الکترولیت‌ها معایبی هم دارند. به عنوان مثال، اکثر هالیدها نمی‌توانند پایداری طولانی مدت را در هنگام استفاده از آندهای فلزی خالص حفظ کنند، بنابراین همیشه به برخی از لایه‌های بافر اضافی نیاز است که پیچیدگی ساختار را افزایش می‌دهد. آنها همچنین عملکرد پایینی در زیر نقطه انجماد دارند، که یک جنبه حیاتی است که باید با افزودن عامل‌های رسانا بهبود یابد. علاوه بر این، در حال حاضر تنها HSSE های گرانقیمت را می‌­توان با روش فاز مایع سنتز کرد، و HSSE های ارزان قیمت مانند LZC[7] فقط به صورت گذرا با روش‌های مکانوشیمیایی[8] سنتز می‌شوند، بنابراین بازده محدود است.

اکتشاف SSE های غیر متداول مانند LiFT و زئولیت نشان دهنده یک زمینه تحقیقاتی جدید برای SSE ها است. اگرچه این الکترولیت‌های غیر متعارف از نظر عملکرد و هزینه هنوز با SSE های سنتی قابل مقایسه نیستند، با این حال، مکانیسم جدید انتقال +Li و گسترش انواع SSE که توسط این تحقیق کشف شد، دلگرم کننده است، و سنتز SSEs با روش هسته‌زایی و رشد کریستالی نیز کشف جدیدی است، که نشان می‌دهد برخی از کارهای تحقیقاتی بالغ که در گذشته نادیده گرفته شده‌اند، می‌توانند در زمینه SSEs اعمال شوند.

مرحله بعدی تحقیقات USSEs باید بر جنبه‌های زیر متمرکز شوند:

1. تحقیق در مورد HSSE با فلزات ارزان قیمت مانند آلومینیوم، آهن و زیرکونیوم به عنوان فلز مرکزی.
2. گسترش دامنه سنتز فاز مایع HSSE ها به فلزات ارزان قیمت، مانند LZC.
3. بهبود سنتز فاز جامد برای افزایش رسانایی یونی.
4. معرفی فلوئور به SSE های کلریدی و برومیدی مورد مطالعه برای استفاده از پایداری خوب فلوراید، گسترش دریچه پایداری الکتروشیمیایی پس از اصلاح، و تولید LiF، که ثابت شده است ماده‌ای است که پایداری سطحی را حفظ می‌کند.
5. استفاده از روش‌های رسوب مایع و سایر روش‌هایی که می‌توان در مقیاس بزرگ برای مونتاژ سلول‌ها از آن‌ها استفاده کرد، به منظور کاهش دادن فشار (معمولاً 20 تا 300 مگاپاسکال) و بهبود چگالی جریان بحرانی و عملکرد شارژ سریع.
6. ترکیب فن‌آوری‌های پیشرفته مانند یادگیری ماشین و محاسبات نظری برای پیاده‌سازی تحقیقات بین رشته‌ای برای حمایت بهتر از طراحی و انتخاب SSE های پیشرفته.
7. برای کشف مکانیسم کار USSE ها مانند LiFT و زئولیت‌هایی که به شکل گونه‌های ایزوله وجود دارند، تحقیقات باید ادامه یافته و سایر کاندیدهای بالقوه SSE شناسایی شوند.

SSE ها ممکن است داغترین مسیر تحقیق در زمینه الکتروشیمی در صنعت و دانشگاه در حال حاضر باشند، اما پیشرفت‌ها چندان خوش بینانه نیست. هنوز هیچ پیشرفتی در زمینه‌های حساس از جمله تماس‌های بین­‌سطحی[9]، عملکرد دمای پایین و شارژ سریع وجود ندارد. شرکت­‌های بزرگ سازنده باتری همچنان پیشرفت تجاری ASSB ها را به تاخیر می‌اندازند یا به راه حل‌های موقتی مانند باتری‌های نیمه جامد و باتری‌های شبه­‌جامد روی می‌آورند. بنابراین، تحقیقات آزمایشگاهی و تجاری‌سازی SSE ها همچنان نیازمند همکاری بسیاری از محققان برای غلبه بر بسیاری از مسائلی است که اکنون و در آینده باید به آنها پرداخته شود.

[1] Solid State Batteries

[2] Solid State Electrolyte

[3] Unconventional Solid State Electrolytes

[4] All Solid State Lithium Batteries

[5] Metal Organic Frameworks

[6] Halide Solid State Electrolyte

[7] Li₂ZrCl₆ (LZC)

[8] Mechanochemical Methods like milling, grinding, etc.

[9] Interfacial Contact

Ref: Mei, H.X.; Piccardo P.; Cingolani A.; Spotorno R. Unconventional solid-state electrolytes for lithium-based batteries: Recent advances and challenges. Journal of Power Sources. 2023, 553, 232257

DOI: 10.1016/j.jpowsour.2022.232257

ترجمه و ویرایش : علیرضا دهقان