راز پشت باتری ایمن و بادوام چیست؟ پاسخ مواد آند است!

لیتیوم یون با جریان یافتن و خروج از کاتد و آند، الکتریسیته تولید می کند. و یک باتری لیتیوم یونی هنگام جذب الکتریسیته شارژ می شود و هنگام رها کردن آن تخلیه می شود.

لیتیوم یون با جریان یافتن و خروج از کاتد و آند، الکتریسیته تولید می کند.

فرض کنیم که کاتد یک خانه، آند یک رستوران و لیتیوم یون یک مشتری است. شارژ زمانی اتفاق می‌افتد که مشتری (یون لیتیوم) خانه (کاتد) را ترک می‌کند و برای صرف غذا به یک رستوران (آند) می‌رود، و تخلیه زمانی اتفاق می‌افتد که مشتری که غذا را تمام کرده رستوران را ترک کرده و به خانه بازگردد.

اما اگر رستوران به اندازه کافی صندلی نداشته باشد چه؟ رستوران صندلی‌های بیشتری را در پاسیو در فضای باز ایجاد کرد، اما اگر صندلی‌ها با وسایل نقلیه زیاد به جاده خیلی نزدیک باشند چه؟ در این صورت، مشتری نمی تواند در رستوران غذا بخورد، رستوران نمی تواند غذا بفروشد و پاسیو بیرونی ممکن است در خطر باشد.

بر این اساس، اگر مکان امنی برای لیتیوم یون وجود نداشته باشد، نمی توانیم ظرفیت یا توان کاتد را تامین کنیم. با این حال، اگر آند را به خوبی طراحی کنیم، می توانیم باتری با ظرفیت بالاتر و طول عمر بیشتر داشته باشیم.

چه چیزی مهم است؟ طول عمر باتری؟ ظرفیت؟ آند را فراموش نکنید

آند مهمترین بخش برای افزایش طول عمر باتری است. گرافیت به عنوان ماده آند استفاده می شود. گرافیت ساختار لایه ای دارد که در آن اتم های کربن در هر لایه به هم متصل می شوند. و در صورت شارژ باتری، لیتیوم یون از کاتد به آند جریان می یابد و به هر شکاف بین لایه های گرافیت می رود. در اینجا، گرافیت با لیتیوم یون کمی منبسط می شود.

باتری لیتیوم یونی را می توان با گذراندن یک چرخه شارژ و دشارژ به طور مداوم استفاده کرد، اما طول عمر باتری با گذشت زمان کاهش می یابد. این به دلیل شکست در ساختار آند ناشی از تخریب آند است که لیتیوم یون را جذب می کند. هر محصولی هر چقدر هم که قوی باشد، به مرور زمان قدیمی و فرسوده می شود. و همین امر در مورد باتری ها نیز صدق می کند. تغییر در اندازه آند مسائل ایمنی نیست، زیرا یک پدیده طبیعی است.

تغییر در حجم آند نیز تا حدی بر ظرفیت تأثیر می گذارد. ما هنگام طراحی باتری، تغییرات ساختاری درون باتری را در نظر می گیریم. اگر از موادی استفاده کنیم که به راحتی منبسط می شوند، نمی توانیم تغییرات اندازه را پیش بینی کنیم و فضاهای کافی ایجاد کنیم که منجر به ظرفیت کم می شود. از طرفی اگر از موادی استفاده کنیم که به راحتی منبسط نمی شوند، می توانیم فضای کافی ایجاد کنیم و در نتیجه ظرفیت باتری را افزایش دهیم.

نسل بعدی مواد آند، سیلیکون (Si)

گرافیت متداول ترین ماده آند مورد استفاده است و پس از آن سیلیکون (Si) قرار دارد. سیلیکون 10 برابر چگالی انرژی بالاتر از گرافیت و سرعت شارژ/دشارژ بالا را ارائه می دهد.

با این حال، سیلیکون هنوز نیاز به بهبود دارد. اگر یون لیتیوم به آند جریان یابد، آند مبتنی بر گرافیت 10٪ منبسط می شود اما آند مبتنی بر سیلیکون تا 400٪ منبسط می شود. درست است که چگالی انرژی سیلیکون 10 برابر بیشتر از گرافیت است، اما ابتدا باید ساختار ناپایدار آند مبتنی بر سیلیکون را تثبیت کنیم. بر این اساس، صنعت باتری در حال انجام تحقیق و توسعه برای تثبیت ساختار آند مبتنی بر سیلیکون است.

سامسونگ SDI با استفاده از مواد آند سیلیکونی یک باتری «فوق العاده» ایجاد کرده است

از آنجایی که سیلیکون به عنوان ماده آند نسل بعدی توجه زیادی را به خود جلب می کند، کاهش انبساط سیلیکون یک کار فوری است.

بنابراین،  Samsung SDI SCN (Si-Carbon-Nanocomposite ) را که یکی از فناوری های ثبت شده ما است، توسعه داده و تجاری کرده است. SCN یک ماده “کامپوزیتی” است که گرافیت و سیلیکون “به اندازه نانو” را که کوچکتر از یک هزارم عرض موی انسان است، ترکیب می کند. ما به این ایده رسیدیم که مزایای سیلیکون و گرافیت را با هم ترکیب کنیم.

ما گرافیت ساختاری پایدار و سیلیکون در اندازه نانو را با چگالی انرژی بالا ترکیب کردیم، بنابراین می‌توانیم یک ماده ایمن و با چگالی انرژی بالا ایجاد کنیم.

با عرضه بیشتر دستگاه‌های الکترونیکی بی‌سیم در بازار، تقاضا برای باتری طولانی‌تر در حال افزایش است. اگر کاتد با نیکل بالا و مواد آند مبتنی بر سیلیکون را ترکیب کنیم، می‌توانیم زمان کارکرد باتری، طول عمر و شارژ سریع را افزایش دهیم. سامسونگ SDI استراتژی اندهای جدید را برای توسعه فناوری باتری دنبال خواهد کرد.