محققان در مرکز تحقیقات باتری موسسه تحقیقات الکتروتکنولوژی کره (KERI) ساختار کربنی متخلخل با یک هسته توخالی ایجاد کردند که جاذب لیتیوم است. آن‌ها تعداد کمی نانوذرات طلا با میل ترکیبی به لیتیوم در داخل این هسته ایجاد کردند که در باتری‌های لیتیومی برای جلوگیری از تشکیل دندریت قابل استفاده است.
مشکل تشکیل دندریت درون باتری لیتیوم حل شد
در باتری‌های لیتیوم فلزی از لیتیوم به جای گرافیت به عنوان آند استفاده می‌کنند، زیرا ظرفیت تئوری آن ۳۸۶۰ میلی آمپر بر گرم بوده که ۱۰ برابر بیشتر از گرافیت (۳۷۲ میلی‌آمپرساعت بر گرم) است.
با وجود این مزیت، اگر لیتیوم به طور یکنواخت و موثر در طول فرآیند چرخه شارژ/دشارژ ذخیره نشود، می‌تواند دندریت ایجاد کند، که منجر به انبساط حجمی الکترود شده که این به نوبه خود ممکن است عمر چرخه باتری را کوتاه کند و با بروز اتصال کوتاه داخلی، باعث ایجاد مشکلات ایمنی مانند آتش سوزی و انفجار شود.
در این ساختار جدید، طلا با واکنش با لیتیوم، جهت رشد لیتیوم را کنترل می کند و در نتیجه رسوب لیتیوم را در داخل هسته ایجاد می‌کند. علاوه بر این، منافذ زیادی در اندازه نانومتری در قسمت پوسته ایجاد می‌شوند تا حرکت یون لیتیوم به سمت فضای هسته را بهبود بخشند.
با این حال، یک چالش عمده مشاهده شده، رسوب لیتیوم بر روی پوسته کربن رسانا، نه در داخل هسته، تحت شرایط شارژ با نرخ بالا است. با مشاهده این موضوع، تیم پژوهشی موسسه تحقیقات الکتروتکنولوژی کره منافذی در اندازه نانو را به پوسته وارد کرد و بازده کولمبیکی قابل توجهی را بدون رشد دندریت لیتیوم، حتی تحت شرایط آزمایش با جریان بالا ۵ میلی آمپر بر سانتی‌متر مربع، به دست آورد.
نتایج شبیه‌سازی نشان داد که کاهش طول انتشار یون لیتیوم توسط منافذ پوسته و کنترل لیتیوم توسط نانوذرات طلا، رسوب لیتیوم را در داخل ساختار حتی در شرایط شارژ با جریان بالا حفظ می‌کند.
در مقاله ای که در مجله ACS Nano منتشر شد، محققان اشاره کردند که این میزبان لیتیوم، عملکرد شارژ/دشارژ بسیار خوبی را در بیش از ۵۰۰ چرخه تحت چگالی جریان بالای ۴C (حفظ ظرفیت ۸۲٫۵ درصد) نشان می‌دهد.
بیونگ گون کیم، از محققان این پروژه گفت: «علی‌رغم ظرفیت بالا، باتری‌های لیتیوم فلزی موانع زیادی برای تجاری‌سازی دارند که عمدتاً به دلیل پایداری و مسائل ایمنی است که باید برطرف شوند. مطالعه ما از این نظر ارزشمند است که روشی برای تولید انبوه مخزن لیتیوم با راندمان کولمبی بالا برای باتری‌های لیتیوم فلزی قابل شارژ سریع توسعه دادیم.»
