חברת הטכנולוגיה של סיאול מפתחת אסטרטגיית טעינה אולטרה-מהירה חדשה של סוללות למניעת שקיעת ליתיום מזיקה

ההתקדמות המהירה של כלי רכב חשמליים ומכשירים אלקטרוניים בעלי הספק גבוה הגבירה את הביקוש הגובר לסוללות ליתיום-יון עם טעינה מהירה במיוחד. אף על פי כן, סוללות ליתיום-יון נטענות כיום סובלות מדעיכה חמורה של הספק במהלך תהליכי טעינה מהירה ואף עלולות להוביל לכשלים קטסטרופליים, מה שמעלה סיכוני בטיחות. זה נובע בעיקר מחוסר יציבות אלקטרוכימית בממשק האנודה-אלקטרוליט, מה שגורם לשקיעת ליתיום מתכתי מזיקה על פני הסוללה וליציבות תרמית ירודה.
בשנים האחרונות, חומרי אנודה במתח גבוה הפכו לחלופות מבטיחות ביותר לעיכוב שקיעת ליתיום מוגזמת ויצירת שכבות ביניים לא יציבות בין אלקטרוליטים מוצקים (SEI). למרות יתרונות אלה, חומרים מתקדמים עדיין מוגבלים על ידי מוליכות יונית ויציבות תרמית לא מספקות, אשר מחלישות את תפוקת ההספק ואת האמינות לטווח ארוך.

על פי דיווחים בתקשורת הזרה, כדי לפתור בעיות אלו, צוות מחקר בראשות פרופסור חבר דונגווק האן באוניברסיטה הלאומית למדע וטכנולוגיה בסיאול פיתח חומר אנודה לאנודה ליתיום-טיטניום פוספט מחוץ לסטוכיומטרי (OS) בעל מבנה מסוג NASICON. חומר זה ידוע ביציבות מבנית ותרמית יוצאת דופן. העיצוב יכול לגרום לטרנספורמציה ספונטנית של פאזה מתחת לפני השטח של חלקיקי החומר הפעיל כדי לפרוץ מגבלות קינטיות ולהשיג ביצועי טעינה מהירה יציבים.
ממצאי מחקר רלוונטיים פורסמו בכתב העת Advanced Functional Materials.

אפנון פני השטח להובלת יונים מואצת

ליתיום-טיטניום פוספט (LTP) הוא בעל מבנה מסוג מוליך-על-יוני נתרן (NASICON), המתגאה ביציבות מבנית ותרמית יוצאת דופן, כמו גם בערוצי דיפוזיה מהירים של יוני ליתיום. כדי למצות את מלוא הפוטנציאל שלו, החוקרים אימצו אסטרטגיית תכנון מחוץ לסטוכיומטריה והגדילו במכוון את היחס בין זרחן (P) לטיטניום (Ti). הרכב חסר טיטניום כזה מייצר דומייני טיטניום פוספט (TPO) קרוב לפני השטח של חלקיקי LTP.
אזורים עשירים ב-TPO אלה פועלים כערוצים קינטיים יעילים במיוחד, מורידים את מחסום האנרגיה להעברת יוני ליתיום על פני ממשק האנודה-אלקטרוליט ובונים מסלולי העברת יונים מהירים ליד משטחי החלקיקים. בנוסף, קשרי P-O-P גמישים ביותר בתוך מסגרת ה-TPO מספקים גמישות מבנית להסתגל לשינויי נפח במהלך מחזורי טעינה מהירים ומגנים על המבנה מסוג NASICON מפני נזק בלתי הפיך.

ביצועים חזקים בתנאי טעינה מהירה

בהתאם לכך, במבחני יכולת קצב, המדד החיוני שמעריך את קיבולת הטעינה המהירה, האנודה המרוכבת OS-LTP-פחמן (OS-LTP/C) שמרה על 86% מרשימים מהקיבולת ההתחלתית שלה תחת קצב טעינה של 10C, בעוד שהקיבולת של האנודה המרוכבת LTP/C הטהורה ירדה באופן דרסטי.
חומר זה מספק גם יציבות מחזורית מעולה לאחר למעלה מ-250 מחזורים. תצורות תאים מלאים מציגות ביצועי קצב מעולים דומים ותאימות רחבה עם קתודות במתח גבוה.

דרך רחבה יותר לעבר סוללות בטוחות יותר

"השיטה שלנו יוצרת פרדיגמה חדשה לגמרי לתכנון סוללות טעינה מהירה, וניתן ליישם אותה באופן נרחב על מערכות אחסון אנרגיה עתידיות רבות, כולל סוללות מצב מוצק לחלוטין", ציין האן. "אסטרטגיית תכנון זו יכולה להפוך כלי רכב חשמליים למעשיים יותר על ידי קיצור זמן הטעינה, שיפור הבטיחות ותמיכה ברשתות חשמל של אנרגיה מתחדשת."
לסיכום, אסטרטגיית תכנון מחוץ לסטיוכיומטריה זו מטפלת באחד המכשולים המרכזיים העומדים בפני סוללות נטענות ומציעה גישה מבטיחה לטכנולוגיית אחסון אנרגיה טעינה אולטרה-מהירה מוכנה למסחר.