چالش‌ها و توسعه الکترولیت‌های کامپوزیتی حالت جامد برا‌ی باتری‌‎‌‌های لیتیوم-یون با عملکرد بالا

چکیده

مرجع پلیمر در بازار ایران (پلیم پارت) : نگرانی­‌های ایمنی و دستیابی به چگالی انرژی بالا، منجر به توسعه باتری‌­های لیتیوم-یون حالت جامد با عملکرد بالا گردیده است. بنابراین، جزء کلیدی در باتری­‌های لیتیومی حالت جامد یعنی الکترولیت­‌های حالت جامد، به دلیل غیرقابل اشتعال بودن و سازگاری خوب با کاتدها/ آندهای فلز لیتیوم ولتاژ بالا، توجه زیادی را به خود جلب نموده است. مهم است که درک عمیقی از مشکلات موجود الکترولیت­‌های حالت جامد ایجاد شود و استراتژی­‌هایی برای رسیدگی به این مشکلات در جهت طراحی کارآمد الکترولیت‌­های حالت جامد با عملکرد بالا ارائه گردد. در این مقاله محدودیت‌­های فعلی الکترولیت­‌های کامپوزیتی حالت جامد به­‌طور سیستماتیک خلاصه شده است و همچنین راه­‌هایی برای غلبه بر آنها و پیشنهاداتی برای چشم‌­انداز آینده الکترولیت­‌های حالت جامد با هدف راهنمایی عملی برای محققان، ارائه گردیده است.

نتیجه‌­گیری و چشم‌­انداز آینده

به­‌طورخلاصه، باتری لیتیومی حالت جامد نوید بخش بهبود ایمنی و دستیابی به چگالی انرژی بالاست. بنابراین به یک مسیر مهم در جهت توسعه باتری لیتیومی ثانویه تبدیل شده است. برتری کلیدی باتری­‌های حالت جامد، آماده­‌سازی الکترولیت­‌های حالت جامد از منظر دامنه عملکرد الکتروشیمیایی، رسانایی یونی در دمای بالای اتاق، تعداد بالای انتقال یون لیتیوم (Li⁺)‌و امپدانس کم فصل مشترک الکترود/الکترولیت می­‌باشد. نحوه طراحی الکترودهای کامپوزیتی حالت جامد با اجزای دو فازی یا چند فازی همگن و روابط پایدار و همچنین تضمین انتقال سریع یون  Li⁺
بین فازهای مختلف چالشی بزرگ است.

اگرچه تلاش­‌های زیادی برای رسیدگی به چالش‌­های فعلی الکترولیت‌­های کامپوزیتی حالت جامد انجام گردیده است، اما تا کاربرد عملی آنها راه زیادی در پیش است. اکثر باتری­‌های حالت جامد در سیر تکاملی فعلی هنوز مبتنی­‌بر  LFP[2]هستند و نیاز به دمای عملکردی بالا دارد.  علاوه ­بر این درک ناکافی از مکانیسم انتقال یونی در فصل مشترک دو فاز یا چند فاز و همینطور فرآیند بین سطحی پس از شارژ/تخلیه مانع پیشرفت  الکترولیت‌های حالت جامد می­گردد. در این مقاله دیدگاه­‌هایی برای توسعه آینده الکترولیت‌های کامپوزیتی حالت جامد ارائه گردیده است

• پیش ­نیاز تولید الکترولیت­‌های کامپوزیتی حالت جامد، دستیابی به رسانایی یونی بالا و عدد انتقال یونLi⁺در دمای اتاق می­‌باشد. در­این­ مورد مهم است که اجزایی با رسانایی یونی ذاتی بالا و عدد انتقال یون Li⁺بالا انتخاب گردند. در همین حال ساخت کانال­‌های انتقال یونLi^{+‌‌‌‌}سریع با طراحی معماری الکترولیت‌های کامپوزیتی حالت جامد یک استراتژی موثر برای دستیابی به خواص عالی انتقال یونLi⁺ می­‌باشد. بنابراین، توسعه ماتریکس پلیمری جدید، توسعه اجزای معدنی با قابلیت انتقال یون­‌های Li⁺و بررسی بهترین روش تطبیق اجزای مختلف بسیار حائز اهمیت می­‌باشد. علاوه­‌بر این بدست آوردن درک عمیق از مکانیسم‌­های انتقال یون Li⁺ می­‌تواند راهنمایی خوبی در جهت طراحی بهتر الکترولیت­‎‌های کامپوزیتی حالت جامد با عملکرد بهتر ارائه نماید. این مسئله هنوز یک چالش است، چراکه الکترولیت­‌های کامپوزیتی حالت جامد یک سیستم دو فازی یا چند فازی هستند و انتقال یون Li⁺ از فصل مشترک بسیار پیچیده می‌­باشد. اندازه‌گیری­‌های به موقع، DFT[3] و دینامیک مولکولی  و شبیه سازی­‌های اجزای محدود می­‌تواند به صورت تئوریک مکانیسم انتقال یون Li⁺را در الکترولیت­‌های کامپوزیتی حالت جامد پشتیبانی نماید.
• موضوعات لایه مرزی بین الکترولیت­‌های کامپوزیتی حالت جامد و الکترودها برای عملکرد موفقیت­‌آمیز باتری­‌های لیتیومی حالت جامد از اهمیت بالایی برخوردار است. با ارتقاء پیوسته مواد کاتدی به سمت ولتاژ بالاتر برای فصل مشترک کاتد/الکترولیت باید توجه بیشتری به ولتاژ رسانی الکترولیت­‌های حالت جامد یا لایه­‌های سطحی برای انطباق بهتر با کاتدهای ولتاژ بالا داشت. برای فصل مشترک آند/الکترولیت مسئله اصلی رشد/نفوذ دندریت[4] لیتیوم از طریق الکترولیت­‌های حالت جامد است. ساخت یک لایه مرزی لیتیوم آند/الکترولیت با رسانایی یونی بالا، عدد انتقال یون Li⁺و ویسکوزیته خوب می­‌تواند به­‌طور موثری به رسوب یکنواخت لیتیوم برای تشکیل و رشد دندریت لیتیوم کمک نماید. علاوه­‌بر این از دست دادن اتصال در فصول مشترک بدلیل تغییر حجم الکترودها مشکل جدی است. ساخت یک بدنه الکترولیت حالت جامد برای دسته الکترودها و محدود نمودن فیزیکی کاتد و آند فلز لیتیوم یا ساخت فصل مشترک‌هایی با ویژگی ویسکوالاستیسیته[5] خوب، دو روش موثر برای جلوگیری یا تطبیق با تغییر حجم بالقوه الکترودها در طول فرآیند تخلیه هستند. با توجه به تفاوت بین فصل مشترک­‌های کاتد/الکترولیت و آند لیتیوم/الکترولیت، روند بیشتر الکترولیت‌­های حالت جامد می­‌تواند ساختار سلسله مراتبی یا نامتقارنی باشند.
• توصیف فصل مشترک جامد-جامد بین دوماده جامد در شرایط کاری هنوز یک چالش می‌­باشد. باید پیکربندی باتری جدید طراحی شود و تکنیک­‌های پیشرفته شناسایی غیر مخرب توسعه یابد تا نظارت و تجزیه تحلیل به موقع ترکیب و ساختار فصل مشترک بدست آید و همچنین مکانیسم انتقال یون Li⁺در هر دو اجزای الکترولیت جامد-جامد و فصل مشترک الکترولیت/الکترود به منظور کمک در دستیابی به درک تئوری از لایه­‌های مرزی جامد-جامد مختلف نیز باید توسعه یابد. NMR حالت جامد و تکنیک نوترون روش­های کارآمدی برای مطالعه دینامیکی انتقال و توزیع یون Li⁺در الکترولیت­‌های حالت جامد درباتری­‌ها ­می‌­باشند. تکنیک­‌های اشعه ایکس و تکنیک­‌های تصویر بصری شواهد مستقیمی برای گرفتن اطلاعات واکنش الکتروشیمیایی قابل اعتماد و دقیق در فواصل زمانی عملکرد باتری­‌ها فراهم می­‌نماید. تکنیک­‌های مورد استفاده در باتری­‌های مایع مانند CE[6]، AFM[7] و … چشم­‌انداز توسعه یافته در باتری‌های حالت جامد می­‌باشند.
• یک رویکرد واحد نمی­‌تواند همه مسائل مربوط به الکترولیت­‌های حالت جامد و فصل مشترک­‌های الکترود/الکترولیت انتخابی را حل نماید. ترکیبی از رفتارهای جامع مانند مهندسی سطح و ساختار کاتد و آند فلز لیتیوم، طراحی معماری الکترولیت­‌ها و مهندسی لایه مرزی الکترود/الکترولیت باید درنظر گرفته شود. اگرچه گزارش­‌های متعددی مبنی­‌بر ایمنی باتری­‌های حالت جامد از طریق برش زدن، سوراخ شدن و سایر آسیب­‌ها وجود دارد، تحقیقات جامد در مورد مکانیسم‌­های ایمنی و خرابی هنوز کافی نمی­‌باشد. پیکربندی باتری نیز بایستی برای دستیابی به ایمنی بالا و عملکرد بالای باتری­‌های لیتیوم فلزی حالت جامد منطبق گردد.
• طبق متون موجود، ضخامت الکترولیت­‌های کامپوزیتی به‌طور کلی بیش از 100 میکرومتر است که بسیار ضخیم­‌تر و سنگین­‌تر از سیستم الکترولیت مایع/جداکننده است. بنابراین، الکترولیت­‌های حالت جامد با ضخامت کمتر و چگالی کمتر اما خواص مکانیکی عالی برای افزایش چگالی انرژی باتری­‌ها مطلوب خواهند بود.
• فلز لیتیوم به­‌عنوان یک آند ایده‌­آل برای باتری­‌های لیتیومی قابل شارژ، بایستی پس از ادغام با الکترولیت‌های حالت جامد، ثبات خوبی را حفظ نماید. در عملکرد باتری، فصل مشترک بین آند فلزی لیتیوم و الکترولیت­‌های حالت جامد یک کانال مهم برای انتقال یون Li⁺می­‌باشد. انتظار می­‌رود که پایداری فصل مشترک آند فلزی لیتیوم، انتشار و توزیع یون Li⁺را برای دستیابی به مورفولوژی عاری از دندریت و میزان استفاده بالای لیتیوم در طول چرخه بهینه نماید، که این امر برای پایداری طولانی مدت باتری­‌های لیتیوم-یون حالت جامد اهمیت زیادی دارد. بنابراین، استراتژی موثر حفاظت از فلز لیتیوم، راه خوبی برای بهبود عملکرد باتری­‌های حالت جامد و تحقق انتقال از تماس نقطه‌ای[8] به تماس رودررو[9] می­‌باشد. برخی از استراتژی­‌ها مانند افزودن لایه فصل مشترک آلیاژ لیتیوم، لایه فصل مشترک انعطاف‌­پذیر پلیمری یا لایه بین فازی الکترولیت جامد مصنوعی امکان پذیر است [1]. اخیراً، آرچر و همکاران از ساخت الکترولیت­‌های حالت جامد جدید که بر­روی فلز لیتیوم تشکیل گردیده، گزارش دادند که این امر یک استراتژی جدید برای ادغام الکترولیت­‌های حالت جامد و محافظت از فلز لیتیوم را ارائه می­‌نماید [2]. علاوه‌­بر این روش­‌های پیشرفته تولید الکترولیت­‌های حالت جامد و باتری­‌های حالت جامد از جمله چاپ سه‎‌­بعدی[10]، چرخش الکترواستاتیکی[11] و … را می‌­توان برای دستیابی به ساختار خاص و مقاومت توده­ای کم غشای الکترولیت­‌های حالت جامد و همچنین به منظور دستیابی به بهترین عملکرد الکترولیت­‌ها و باتری­‌های حالت جامد استفاده نمود. علاوه‌­بر این، کوچک سازی و ادغام باتری­‌های حالت جامد نیز یک علاقه­‌مندی خواهد بود.

در حال حاضر، توسعه دستگاه‌های جدید ذخیره‌سازی انرژی و مواد مرتبط، زمینه‌ای پررونق با چالش‌ها و فرصت‌های خاص خود می­‌باشد. باتری­‌های حالت جامد مسلماً نیروی اصلی در نسل بعدی دستگاه­‌های ذخیره انرژی خواهند بود. الکترولیت­‌های کامپوزیتی حالت جامد پتانسیل بالایی برای تبدیل شدن به سیستم­‌های الکترولیت ایده‌آل نهایی را دارند. انتظار می­‌رود که توسعه سریع الکترولیت‌های کامپوزیتی حالت جامد بتواند راهی را برای کاربردهای عملی باتری‌های لیتیومی حالت جامد هموار نموده و توسعه عناصر رسانای یونی را برای سایر فناوری‌های ذخیره/تبدیل انرژی تسهیل نماید.

Main reference

Lv F, Wang Z, Shi L, Zhu J, Edström K, Mindemark J, Yuan S. Challenges and development of composite solid-state electrolytes for high-performance lithium ion batteries. Journal of Power Sources. 2019 Nov 30; 441:227175.

Other references

[1] Cheng XB, Yan C, Zhang XQ, Liu H, Zhang Q. Electronic and ionic channels in working interfaces of lithium metal anodes. ACS Energy Letters. 2018 Jun 1;3(7):1564-70.

[2] Zhao Q, Liu X, Stalin S, Khan K, Archer LA. Solid-state polymer electrolytes with in-built fast interfacial transport for secondary lithium batteries. Nature Energy. 2019 May;4(5):365-73.

[1] Interface issues

[2] lithium iron phosphate

[3] Discrete Fourier transform

[4] Dendrite

[5] Viscoelasticity

[6] Capillary electrophoresis

[7] Atomic force microscopy

[8] Point-point

[9] Face-face

[10] 3D printing

[11] Electrostatic spinning

ترجمه و ویرایش : شیرین میران موسوی

هانیه میران موسوی