ابداع روشی ساده برای جلوگیری از آتش گرفتن باتری‌های لیتیوم-یونی
در عصری که می‌رویم در همه‌ی وسایل‌مان از باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده کنیم، یکی از نگرانی‌های بزرگ درباره‌ی آنها همین احتمال آتش گرفتن بالا است.
ولی اکنون پژوهشگران راهی ارزان و بسیار کارآمد برای جلوگیری از داغ شدن بیش از حد و آتش گرفتن باتری‌ها یافته‌اند. آنها یک لایه‌ی پلیمری حساس به گرما به باتری‌های لیتیوم-یونی معمولی اضافه کرده‌اند که اگر دما بیش از حد بالا رفت، می‌تواند این مسئله را تشخیص دهد و استفاده‌ی دستگاه از باتری را متوقف کند. وقتی دما پایین آمد و باتری خنک شد، دوباره صفحه‌ی پلیمری به باتری اجازه می‌دهد که انرژی دستگاه را تامین کند.
آتش گرفتن باتری‌ها می‌تواند بر اثر عوامل مختلفی اتفاق بیفتد. مثلا اگر درون باتری اتصال کوتاه الکتریکی بوجود آید، جریان الکتریکی از درون باتری، بین دو الکترود مثبت و منفی برقرار می‌شود و در نتیجه دمای بین آنها بالا می‌رود و باتری آتش می‌گیرد. پژوهشگران پیش‌تر هم به روش‌هایی برای سرد کردن باتری‌ها و جلوگیری از آتش‌سوزی رسیده بودند. مثلا اخیرا گروهی توانسته بودند کپسول‌هایی حاوی پلاستیک مایع را در باتری‌ها جایسازی کنند. وقتی دمای باتری بالا می‌رود، غشاء کپسول ذوب و پلاستیک مایع در باتری جاری می‌شود. در نتیجه یک لایه‌ی عایق پلاستیکی بین الکترودها ایجاد می‌شود و اتصال کوتاه الکتریکی را قطع می‌کند.
دمای باتری ممکن است بر اثر اتصال کوتاه بالا برود و آتش بگیرد.
یک متخصص باتری به نام «یی کای» (Yi Cui) از دانشگاه استنفورد در پالو آلتو کالیفرنیا می‌گوید: «متاسفانه این‌جور روش‌ها غیر قابل بازگشت هستند. بعد از اینکه باتری بیش از حد گرم می‌شود، [و سامانه‌ی جلوگیری از آتش‌سوزی به کار می‌افتد] باتری غیر قابل استفاده می‌شود.»
به امید یافتن روشی بهتر، کای به یکی از همکاران قدیمی خود به نام «ژنان بائو» (Zhenan Bao) که یک مهندس شیمی است روی آورد. بائو و همکارانش پیش‌تر انواعی از پلاستیک حاوی نانو ذرات نیکل را ساخته بودند که وقتی دمای این ذرات بیش از حد بالا می‌رفت، رسانایی الکتریکی این ماده‌ی ترکیبی کاهش می‌یافت. بائو و کای فکر کردند که شاید اگر روشی این‌چنینی را در باتری‌های لیتیوم-یونی هم به کار ببرند می‌توانند ایمنی آنها را در برابر احتمال آتش‌سوزی افزایش دهند. در نهایت به ایده‌ی ساخت لایه‌ای پلیمری افتادند که وقتی دما از حدی مجاز بالاتر می‌رود، می‌تواند رسانایی خود را قطع کند.
برای ساختن این لایه، پژوهشگران به سراغ نانو ذرات نیکل رفتند که وقتی به صورت متراکم و در تماس با هم قرار می‌گیرند، رسانای الکتریکی می‌شوند. این ذرات وقتی در تماس با مواد شیمیایی درون باتری قرار می‌گیرند، خیلی سریع از بین می‌روند. بنابراین دانشمندان نانو ذرات نیکل را با صفحات کربنی خیلی نازک به نام گرافین اندود کردند. گرافین نیز رسانای الکتریکی است ولی از نابود شدن نیکل بر اثر تماس با مواد شیمیایی داخل باتری جلوگیری می‌کند. سپس آنها ذرات نیکل که اکنون با گرافین اندود شده بود را در پلی‌اتیلن قرار دارند. بدین ترتیب صفحات پلاستیکی نازک و انعطاف‌پذیری ساختند که رسانای الکتریکی هستند.
پژوهشگران سپس صفحات پلاستیکی درست شده را در باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده کردند. الکترودهای این باتری‌ها با ماده‌ی الکترولیت و غشایی که به یون‌های لیتیوم فقط اجازه‌ی عبور در یک جهت را می‌دهد از هم جدا شده‌اند. این اجازه‌ی عبور یک طرفه بستگی به این دارد که باتری شارژ می‌دهد یا در حال شارژ شدن است؛ جهت اجازه‌ی عبور غشاء در این دو شرایط برخلاف هم است. در قسمت خارجی این دو الکترود، جمعآورندههای فلزی جریان الکتریکی قرار دارند که الکترون‌های بوجود آمده بر اثر واکنش الکتروشیمیایی درون باتری را به مدار خارجی حمل می‌کنند. منظور همان قسمت فلزی اتصال باتری به دستگاه است.
بائو، کای و همکارانشان، صفحه‌ی پلیمری را بین یکی از الکترودها و جمعآورندههای جریان الکتریکی قرار دادند. در دمای معمولی، الکتریسیته به راحتی از این صفحه عبور می‌کند و به باتری اجازه‌ی شارژ شدن و شارژ دادن می‌کند. ولی وقتی دما از ۷۰ درجه‌ی سانتیگراد بیشتر می‌شود، پلی‌اتیلن موجود در صفحه ورم می‌کند باعث می‌شود که نانو ذرات نیکل از هم دور شوند. در آزمایشی که بدین طریق انجام شد و در مجله‌ی نیچر هم آمده است، به هنگام گرم شدن بیش از حد، رسانایی الکتریکی صفحات در عرض یک ثانیه به اندازه‌ی ۱۰۰ میلیارد بار کم شد. در نتیجه عبور الکتریسیته متوقف شد و دمای باتری پایین آمد. آن‌طور که پژوهشگران به مجله‌ی نیچر گفته‌اند، وقتی دمای باتری به زیر ۷۰ درجه‌ی سانتیگراد می‌آید، صفحه‌ی پلیمری به حالت اولیه‌ی خود باز می‌گردد و رسانایی الکتریکی بازیابی می‌شود؛ در نتیجه باتری دوباره به کار می‌افتد.
«وینسنت باتاگلیا» (Vincent Battaglia) که یک مهندس شیمی و متخصص باتری در لابراتوار ملی لاورنس برکلی در کالیفرنیا است می‌گوید: «به نظر می‌رسد که این روش به خوبی کار می‌کند.» البته او اشاره می‌کند که این روش تا به حال فقط زمانی جواب داده که باتری در ولتاژهای معمولی کار می‌کند. اگر در اثر یک اتفاق، ولتاژ زیاد شود، لایه‌ی عایق پلاستیکی مثل مقاومت عمل می‌کند و باعث بالا رفتن بیشتر دما در باتری و آتش گرفتن آن می‌شود. با این حال باتاگلیا می‌گوید: «این روش کار می‌کند و ایده‌ی خوبی است.» می‌تواند در آینده به کار آید و جان انسان‌ها را نجات دهد.
منبع:دیجی کالا
No tags for this post.
