پایگاه تحلیلی‌خبری ایراسین؛ باتری‌های لیتیوم-یون امروز به یکی از پایه‌های اصلی خودروهای برقی، ذخیره‌سازی انرژی و زیرساخت گذار انرژی تبدیل شده‌اند، اما یک چالش مهم همچنان پابرجاست؛ چگونه می‌توان عمر این باتری‌ها را بدون افزایش هزینه مواد و پیچیدگی شیمیایی بیشتر افزایش داد؟ مقاله‌ای تازه در نشریه معتبر Nature Energy نشان می‌دهد که پاسخ این پرسش ممکن است نه در فرمولاسیون‌های جدید، بلکه در یک عامل کمتر مورد توجه، یعنی «فشار پشته» یا Stack Pressure، نهفته باشد.

پژوهشگران این مطالعه نشان داده‌اند که اگر فشار وارد بر لایه‌های داخلی باتری در یک بازه بهینه تنظیم و حفظ شود، می‌توان طول عمر چرخه‌ای سلول را به‌طور چشمگیری افزایش داد. در این پژوهش که روی سلول‌های لیتیوم-یون با شیمی گرافیت انجام شده، فشار بهینه حدود ۱۲.۵ bar گزارش شده است؛ مقداری که تقریباً چهار برابر مقادیر اولیه متداول است و توانسته عمر باتری را نزدیک به دو برابر افزایش دهد. اهمیت این نتیجه در آن است که چنین بهبودی بدون تغییر در مواد فعال، الکترولیت یا طراحی شیمیایی سلول حاصل شده و تنها از مسیر بهینه‌سازی شرایط مکانیکی به دست آمده است.

فشار بهینه، کلید دوام باتری

این یافته از منظر صنعتی بسیار مهم است، زیرا صنعت باتری معمولاً برای افزایش دوام و کارایی به سراغ مواد جدید، افزودنی‌های پیچیده یا طراحی‌های پرهزینه‌تر می‌رود؛ اما این مقاله نشان می‌دهد که بخشی از مسیر افزایش عمر باتری می‌تواند از طریق کنترل دقیق‌تر فشار مونتاژ و بهره‌برداری حاصل شود. به بیان دیگر، سازندگان باتری شاید بتوانند بدون تغییر بنیادین در شیمی سلول، تنها با بازتنظیم یک پارامتر مکانیکی، به بهبود قابل توجهی در عملکرد بلندمدت دست یابند.

بخش مهم دیگر مقاله، توضیح این موضوع است که چرا هم فشار کم و هم فشار زیاد به باتری آسیب می‌زنند. در فشار پایین، تماس مکانیکی میان اجزای داخلی سلول به اندازه کافی پایدار نیست. این وضعیت به افزایش تنش موضعی، تشدید ترک‌خوردگی در ذرات کاتد و افزایش سطح تماس ناخواسته با الکترولیت منجر می‌شود. در ادامه، انحلال فلزات واسطه از کاتد، مهاجرت آن‌ها به سمت آند و رشد ناپایدار لایه SEI شدت می‌گیرد. حاصل این روند، افت موجودی لیتیوم، افزایش ضخامت آند و کاهش سریع‌تر ظرفیت باتری است.

در سوی دیگر، فشار بیش از حد نیز پیامدهای منفی خاص خود را دارد. وقتی فشار خیلی بالا باشد، تخلخل الکترود کاهش می‌یابد و دسترسی الکترولیت به نواحی فعال محدود می‌شود. در نتیجه، انتقال یون لیتیوم دشوارتر شده و اضافه‌ولتاژ موضعی افزایش می‌یابد. این شرایط می‌تواند رسوب‌گذاری لیتیوم روی آند را تسهیل کند؛ پدیده‌ای که هم برای ایمنی باتری و هم برای دوام آن نامطلوب است. پژوهشگران در نمونه‌های تحت فشار بالا، شواهد مشخصی از این پدیده مشاهده کرده‌اند؛ از جمله رسوبات قابل مشاهده روی آند و نشانه‌های تحلیلی در آزمون‌هایی مانند NMR و ToF-SIMS.

در واقع، نقطه بهینه فشار پشته جایی است که میان دو نیاز متضاد تعادل برقرار می‌شود: از یک سو، تماس مکانیکی کافی برای حفظ یکپارچگی ساختاری و پایداری بین‌سطحی فراهم شود و از سوی دیگر، تخلخل و مسیرهای انتقال یون آن‌قدر محدود نشوند که زمینه برای رسوب لیتیوم و افت عملکرد فراهم شود. مقاله نشان می‌دهد فشار ۱۲.۵ bar دقیقاً چنین تعادلی ایجاد می‌کند.

پایداری چرخه‌ای، دستاورد کنترل مکانیکی

یکی از نقاط قوت این پژوهش، ابزار دقیقی است که برای انجام آن توسعه داده شده است. محققان یک دیلاتومتر مجهز به سامانه پنوماتیکی طراحی کرده‌اند که می‌تواند فشار پشته را مستقل از انبساط و انقباض طبیعی سلول، با دقت بالا و نوسان کمتر از ۰.۸% ثابت نگه دارد؛ این ابزار همچنین امکان اندازه‌گیری تغییرات ضخامت سلول را با دقت نانومتری فراهم می‌کند. به کمک این سامانه، پژوهشگران توانسته‌اند میان انبساط برگشت‌پذیر ناشی از چرخه شارژ و دشارژ و انبساط برگشت‌ناپذیر ناشی از تخریب تمایز قائل شوند.

نتایج دیلاتومتری نشان داده است که آغاز تورم برگشت‌ناپذیر سلول، همزمان با شروع افت شتاب‌گرفته ظرفیت رخ می‌دهد. این موضوع از آن جهت مهم است که تورم باتری را می‌توان نه فقط یک پیامد، بلکه یک شاخص هشداردهنده برای ورود سلول به فاز تخریب سریع دانست. افزون بر این، مقاله با بهره‌گیری از مجموعه‌ای از آنالیزهای تکمیلی شامل DVA، میکروسکوپ نوری، XPS، sXRD،MP-AE`، ToF-SIMS و XCT، تصویری چندلایه از مسیرهای تخریب در فشارهای مختلف ارائه می‌دهد؛ تصویری که هم از نظر علمی قانع‌کننده است و هم برای کاربردهای صنعتی ارزش بالایی دارد.

در مجموع، پیام اصلی این مقاله روشن و مهم است: در باتری‌های لیتیوم-یون، تنها شیمی تعیین‌کننده نیست؛ مکانیک نیز نقشی اساسی در طول عمر و پایداری سلول ایفا می‌کند. اگر فشار پشته کمتر یا بیشتر از حد بهینه باشد، مسیرهای متفاوتی از تخریب فعال می‌شوند؛ اما اگر این فشار به‌درستی تنظیم و حفظ شود، می‌توان تنها با یک مداخله مهندسی نسبتاً ساده، عمر باتری را تا دو برابر افزایش داد. این یافته می‌تواند برای صنعت باتری، به‌ویژه در حوزه خودروهای برقی و ذخیره‌سازی انرژی، یک مسیر کم‌هزینه، عملی و سریع‌الاجرا برای بهبود دوام و کاهش هزینه‌های چرخه عمر فراهم کند.