افزایش طول عمر باتری به کمک گرما

محققان موسسه فناوری کالیفرنیا دریافته‌اند که برای داشتن یک باتری شارژی با طول عمر بیشتر می‌توان آن را حرارت داد.

منطقه خراسان، الکترودهای موجود در سلول یک باتری قابل شارژ به مرور زمان رشته‌های ریز شاخه‌ای شکلی به اسم دندریت تشکیل می‌دهند؛ این دندریت‌ها موجب ایجاد جریان‌هایی می‌شوند که باتری را از بین برده و حتی می‌تواند باتری را شعله‌ور کند.

اما اخیرا محققان موسسه فناوری کالیفرنیا به لطف آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های جدید رایانه‌ای دریافته‌اند که چگونه حرارت دادن باتری می‌تواند این دندریت‌ها را بشکند و طول عمر باتری را افزایش دهد.

یک سلول باتری شامل الکترودهای مثبت و منفی است که کاتد و آند نامیده می‌شوند.

وقتی باتری جریان الکتریکی تولید می‌کند، الکترون‌ها به صورت یک جریان خارج از باتری از آند راه می‌افتند و به سمت کاتد می‌روند. با از دست رفتن الکترون‌هایی که جریان تولید می‌کنند برخی از اتم‌ها در آند -که یک فلز رسانای جریان الکتریکی همچون لیتیم است- به یون تبدیل شده و از طریق یک مایع رسانا به نام الکترولیت به کاتد مهاجرت می‌کنند.

با شارژ مجدد باتری این فرآیند برعکس می‌شود و یون‌ها از کاتد برمی‌گردند و مجددا به آند می‌چسبند. اما این بار به طور کامل به آند نمی‌چسبند و در عوض برآمدگی‌های میکروسکوپی تشکیل می‌دهند که در نهایت بعد از چندین بار شارژ شدن باتری به شکل رشته‌های دراز دندریت رشد می‌کنند. وقتی دندریت‌ها به کاتد می‌رسند و به آن متصل می‌شوند، جریان‌های کوتاه ایجاد می‌کنند. در این حالت جریان الکتریکی به جای این که یک جریان خارجی تشکیل دهد، در طول دندریت‌ها به راه می‌افتد و لذا منجر به غیر استفاده شدن باتری می‌شود.

جریان ایجاد شده دندریت‌ها را حرارت می‌دهد و از آنجا که الکترولیت آتشگیر است، دندریت‌ها می‌توانند باتری را شعله‌ور کنند. دندریت‌ها خطرناک هستند و طول عمر باتری را کم می‌کنند. این مشکلی است که در تمام باتری‌های قابل شارژ وجود دارد.

محققان، دندریت‌های لیتیمی را در یک باتری آزمایشی رشد داده و ظرف چند روز آنها را حرارت دادند. آنها دریافتند که دمای بیش از 55 درجه سلسیوس منجر به کاهش 36 درصدی دندریت‌ها می شود. برای درک دلیل اصلی کوتاه شدن دندریت‌ها، محققان از یک شبیه‌ساز رایانه‌ای استفاده کردند که اثر گرما بر اتم‌های منفرد لیتیمی را که سازنده دندریت‌ها هستند نشان می‌دهد.

این شبیه‌ساز نشان داد که گرما اتم‌ها را به دو طریق به حرکت در اطراف وا می‌دارد. اتم‌هایی که در راس ساختار هرمی دندریت‌ها وجود دارند به سطوح پایین‌تر می‌روند و اتم‌هایی که در سطوح پایین‌تر هستند می‌توانند حرکت کرده و یک جای خالی پشت سر خود بر جای بگذارند که بعدا توسط یک اتم دیگر اشغال می‌شود. به این ترتیب اتم‌ها به هم می‌ریزند و تحرک کافی برای از بین رفتن و نابودی دندریت‌ها فراهم می‌کنند. با از بین رفتن دندریت‌ها بر اثر گرما، طول عمر باتری نیز افزایش می‌یابد.

این یافته‌ها به تازگی در مجله Chemical Physics به چاپ رسیده است.