پژوهشگران کرهای از دانشگاه ملی علوم و فناوری پیشرفته کره (KAIST) موفق به ارائه راهکاری شدهاند که میتواند یکی از بزرگترین موانع پیش روی خودروهای برقی امروزی، یعنی زمان طولانی شارژ، را برطرف کند. این دستاورد با هدف امکان شارژ کامل باتری در تنها ۱۲ دقیقه، گامی مهم در جهت نزدیکی به قابلیتهای خودروهای بنزینی محسوب میشود. هسته اصلی این نوآوری، مقابله با رشد ناخواسته "دندریتها" در باتریهای لیتیوم-فلز است؛ ساختارهای سوزنی شکلی که در طول فرآیند شارژ سریع در این نوع باتریها تشکیل میشوند و میتوانند عمر مفید باتری را کاهش داده و خطر آتشسوزی را افزایش دهند.
این تیم تحقیقاتی با توسعه یک پوشش هوشمند و خودتنظیمشونده، موفق شدهاند حرکت یونهای لیتیوم را حتی تحت بارهای الکتریکی شدید، روان و پایدار نگه دارند. این پوشش با الهام از سیستمهای مدیریت ترافیک هوشمند، مسیرهای بهینهای را برای یونها فراهم میکند و مانع از تجمع و رشد دندریتها میشود. این پیشرفت میتواند انقلابی در فناوری باتریهای خودروهای برقی ایجاد کرده و پذیرش گستردهتر این فناوری پاک را تسریع بخشد.
نوآوری در لایه محافظ باتری: تقلید از جریان ترافیک
ساختار هوشمند مبتنی بر تیوفن
قلب این فناوری جدید، افزودن مادهای به نام "تیوفن" به الکترولیت باتری است. این ماده در هنگام شارژ، یک لایه محافظ با ساختار الکترونیکی انعطافپذیر و هوشمند ایجاد میکند. این لایه به گونهای عمل میکند که گویی یک سیستم ترافیکی هوشمند در حال هدایت جریان یونهای لیتیوم است؛ با افزایش سرعت حرکت یونها، توزیع بار الکتریکی در این لایه تغییر یافته و مسیرهای بهینهتری به صورت پویا ایجاد میشود. این قابلیت تنظیم خودکار، مانع از تمرکز بار در نقاط خاص و در نتیجه رشد دندریتها میگردد.
نتایج شبیهسازیهای انجام شده توسط این تیم، نشان میدهد که این ساختار جدید قادر است جریانهای شارژی دو برابر بیشتر از آنچه در باتریهای تجاری رایج است را با پایداری بالا مدیریت کند. این میزان شارژ با جریانهای بالاتر از ۸ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع، برای شارژ سریع باتریهای نسل آینده ضروری است و این دستاورد، حد نصاب بالایی را در این زمینه جابجا میکند.
پایداری مکانیکی در شرایط واقعی
پژوهشگران تنها به شبیهسازی بسنده نکرده و با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی در مقیاس نانو (in-situ atomic force microscopy)، رفتار باتری را در حین عملیات شارژ و دشارژ با توان بالا مستقیماً مشاهده کردند. نتایج این مشاهدات، تاییدی بر پایداری مکانیکی فوقالعاده این پوشش جدید بود. مشاهده شد که یونهای لیتیوم به صورت یکنواخت بر روی سطح توزیع شده و رسوب میکنند، حتی زمانی که باتری تحت فشارهای الکتریکی بالا قرار دارد.
این پایداری در مقیاس نانو، برای شرایط رانندگی واقعی و شارژ سریع در ایستگاههای شارژ حیاتی است. بدون این پایداری، عمر باتری به شدت کاهش یافته و ایمنی آن به خطر میافتد. توانایی این لایه محافظ در حفظ یکپارچگی ساختاری باتری، اطمینان از دوام و ایمنی آن را در بلندمدت فراهم میآورد.
سازگاری با مواد کاتدی رایج
یکی دیگر از مزایای قابل توجه این فناوری، سازگاری آن با مواد کاتدی متداول در باتریهای خودروهای برقی مانند لیتیوم-آهن-فسفات (LFP) و لیتیوم-نیکل-کبالت-منگنز-اکسید (NCM) است. این سازگاری به این معناست که میتوان این فناوری جدید را بدون نیاز به بازنگری اساسی در خطوط تولید فعلی باتری، در فرآیندهای تولید صنعتی ادغام کرد. این موضوع، سرعت پیادهسازی این فناوری را در صنعت خودروسازی افزایش خواهد داد.
آینده خودروهای برقی فوق سریع
فراتر از یک بهبود جزئی
این تحقیق صرفاً یک بهبود جزئی در مواد موجود نیست، بلکه به شکلی بنیادین به مسئله ناپایداری در ساختار الکترونیکی باتریهای لیتیوم-فلز پرداخته است. با فعالسازی عملیات با جریان بالا به صورت پایدار، این فناوری راه را برای استفاده عملی از باتریهای لیتیوم-فلز، که چگالی انرژی بالاتری نسبت به باتریهای لیتیوم-یون فعلی دارند، هموار میسازد.
هدف فوری این نوآوری، توسعه خودروهای برقی با برد حرکتی فوقالعاده طولانی است. اما کاربردهای این فناوری محدود به خودروهای سواری نیست. سیستمهای حملونقل هوایی شهری (UAM) و نسل جدید سیستمهای ذخیرهسازی انرژی نیز میتوانند از چگالی انرژی و سرعت شارژ بالای حاصل از این طراحی بهرهمند شوند.
گام بعدی، انتقال این فناوری از مرحله اثبات مفهوم به مرحله تولید انبوه در مقیاس صنعتی است. چالشهای موجود در این مرحله، تعیینکننده نهایی زمان عرضه نسل جدید خودروهای برقی با قابلیت شارژ ۱۲ دقیقهای به بازار خواهد بود.
تحلیل تأثیرگذاری
اگرچه این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه و اثبات قرار دارد، اما پتانسیل آن برای حل یکی از اساسیترین چالشهای پذیرش خودروهای برقی، بسیار بالاست. غلبه بر محدودیتهای شارژ سریع، میتواند به طور قابل توجهی تجربه کاربری خودروهای برقی را بهبود بخشد و وابستگی به زیرساختهای شارژ گسترده و زمانبر را کاهش دهد. این امر بهنوبه خود، انگیزه سرمایهگذاری در صنعت خودروهای برقی و توسعه فناوریهای مرتبط را افزایش داده و روند گذار به حملونقل پایدار را تسریع خواهد بخشید.
