از تلفن های همراه ، گرفته تا انرژی خورشیدی ، تا اتومبیل های برقی ، بشریت به طور فزاینده ای به باتری ها وابسته است. با افزایش تقاضا برای ذخیره انرژی ایمن ، کارآمد و قدرتمند ، همچنان خواستار گزینه های امیدوار کننده برای باتری های لیتیوم یون قابل شارژ ، که فن آوری غالب در این فضا است ، می شود.
در تحقیقات منتشرشده در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ، محققان موسسه پلی تکنیک Rensselaer نشان می دهند که چگونه می توانند بر روی چالش مداوم موسوم به دندریتها غلبه کنند تا باتری فلزی ایجاد کنند که تقریباً به خوبی باتری لیتیوم یونی را انجام دهد ، اما به پتاسیم متکی است - یک عنصر بسیار فراوان تر و ارزان تر
باتری ها حاوی دو الکترود هستند - یک کاتد در یک انتها و یک آند از سوی دیگر. اگر می خواهید داخل یک باتری لیتیوم یونی نگاه کنید ، معمولاً یک کاتدی از اکسید لیتیم کبالت و یک آند ساخته شده از گرافیت پیدا می کنید. در حین شارژ و تخلیه ، یون های لیتیوم بین این دو الکترود به جلو و عقب جریان می یابند.
در این مجموعه ، اگر محققان به جای جایگزین اکسید لیتیم کبالت با اکسید کبالت پتاسیم ، عملکرد کاهش می یابد. پتاسیم یک عنصر بزرگتر و سنگین تر است و بنابراین انرژی کمتری متراکم می کند. در عوض ، تیم Rensselaer با جایگزین کردن آند گرافیتی با فلز پتاسیم ، به دنبال افزایش عملکرد پتاسیم بود.
"از نظر عملکرد، این می تواند یک سنتی رقابت باتری یون لیتیوم ، گفت:" نخیل Koratkar، استاد عطا مکانیکی، هوا فضا و مهندسی هسته ای در رنسلر و نویسنده ارشد این مقاله است.
در حالی که باتری های فلزی قول بزرگی را نشان داده اند ، آنها همچنین به طور سنتی با تجمع رسوبات فلزی به نام دندریت ها روی آند گرفتار شده اند. دندریت ها به دلیل رسوب غیر یکنواخت فلز پتاسیم تشکیل می شوند زیرا باتری چرخه های مکرر شارژ و تخلیه را پشت سر می گذارد. کراتکار توضیح داد که با گذشت زمان ، ترکیب های فلز پتاسیم طولانی و تقریباً شبیه شاخه می شوند.
اگر خیلی طولانی شوند ، در نهایت جداکننده غشای عایق به معنای جلوگیری از تماس الکترودها با یکدیگر و کوتاه کردن باتری ، سوراخ می شوند. گرما هنگامی ایجاد می شود که باتری کوتاه شود و این پتانسیل را داشته باشد که الکترولیت ارگانیک را درون دستگاه روشن کند.
در این مقاله ، کراتکار و تیم وی - که شامل Prateek Hundekar ، دانشجوی دکترا در Rensselaer ، و محققان دانشگاه مریلند ، از جمله Chunsheng Wang ، استاد مهندسی شیمی و بیومولکولار هستند - توضیح می دهند که چگونه راه حل آنها برای حل این مشکل راه را هموار می کند. برای استفاده عملی مصرف کننده با کارکردن باتری با شارژ و دشارژ نسبتاً زیاد ، آنها می توانند دمای داخل باتری را به شکلی کنترل شده بالا برده و دندریت ها را برای خود درمانی از آند ترغیب کنند.
کراتکار روند بهبودی خود را با آنچه که پس از پایان طوفان اتفاق می افتد مقایسه می کند. باد و خورشید به حرکت تکه های برف تپه برف کمک می کند ، اندازه آن را کوچک می کند و در نهایت آن را صاف می کند.
به طور مشابه ، در حالی که افزایش دما در باتری فلز پتاسیم را ذوب نمی کند ، به فعال سازی انتشار سطح کمک می کند تا اتم های پتاسیم به طور جانبی از "شمع" ای که ایجاد کرده اند حرکت کنند و به طور موثری دندریت را خارج می کنند.
کراتکار گفت: "با این رویکرد ، ایده این است که در شب یا هر زمان که از باتری استفاده نمی کنید ، باید سیستم مدیریت باتری را داشته باشید که این گرمای محلی را اعمال می کند و این باعث می شود دندریت ها خود را بهبود ببخشند."
Koratkar و تیم وی قبلاً روش مشابهی از خود درمانی با باتری های فلز لیتیوم را نشان داده بودند ، اما آنها دریافتند که باتری فلز پتاسیم برای تکمیل فرایند خود درمانی به حرارت بسیار کمتری احتیاج دارد. کراتکار گفت ، این یافته امیدوارکننده ، به این معنی است که یک باتری فلز پتاسیم می تواند کارآمدتر ، ایمن تر و کاربردی تر باشد.
