محققان برجسته از موسسه پیشرفته علم و فناوری کره (KAIST) به همراه همکاران خود در دانشگاه‌های مختلف، پیشرفت مهمی در راستای توسعه فناوری باتری‌های بدون آند به انجام رسانده‌اند. این ابتکار که الهام گرفته از تکنیک‌های دقیق ساخت در عرصه نیمه‌رساناهاست، به حل چالش‌های عمده‌ای که در باتری‌های بدون آند وجود دارد، از جمله شکل‌گیری ساختارهای مضر لیتیومی، می‌پردازد. هدف نهایی این تحقیق، ایجاد خودروهای برقی با برد حرکتی بالا و وزن کاهش‌یافته است که قادر به ایجاد تحولی عمیق در صنعت خودروسازی خواهند بود.
دلایل پیشتازی باتری‌های بدون آند در آینده خودروهای برقی
در سیستم‌های باتری لیتیوم-یون متداول، لیتیوم در آندهایی که از موادی نظیر گرافیت ساخته شده‌اند، ذخیره می‌شود. در مقابل، باتری‌های بدون آند رویکرد متفاوتی دارند؛ آن‌ها به جای تکیه بر ماده آند مستقل، به لیتیوم اجازه می‌دهند که مستقیماً روی یک ورق نازک از فویل مس انباشته شود. از بین بردن آند سنتی، موادی را که موجب افزایش وزن و ضخامت کل باتری می‌شوند، حذف می‌کند. این کار امکان ذخیره‌سازی انرژی بیشتر در فضای محدود را فراهم می‌آورد و می‌تواند به خودروهای برقی اجازه دهد مسافت‌های بیشتری را با بسته‌های باتری کوچکتر یا سبک‌تر طی کنند. با این حال، این طراحی امیدوارکننده با یک معضل جدی مواجه است: لیتیوم معمولاً به‌طور یکنواخت بر روی سطح مس توزیع نمی‌شود و ممکن است ساختارهای سوزنی یا دندریتی شکل بگیرند که به کاهش عمر باتری منجر می‌شود.
جلوگیری از شکل‌گیری ساختارهای مخرب لیتیوم از طریق فناوری نیمه‌رسانا
تیم تحقیقاتی تحت هدایت KAIST به جای افزودن مواد اضافی به حجم قابل توجه، بر تغییر در ساختار فویل مسی که لیتیوم روی آن ذخیره می‌شود، متمرکز شد. پژوهشگران با ایجاد یک الگوی دقیق از لوله‌های میکروسکوپی بر روی سطح مس، به این مسأله پرداختند. آن‌ها از روش ساخت نیمه‌رسانا به نام لیتوگرافی ثانویه کندوپاش (SSL) استفاده کردند که ساخت سازه‌های بسیار کوچک با دقت بالا را ممکن می‌سازد. هر یک از این لوله‌ها تقریباً با عرض ۳۰۰ نانومتر و ارتفاع ۱۵۰ نانومتر طراحی شده بودند. این ساختارهای میکروسکوپی سطح رسوب لیتیوم را تقریباً به چهار برابر یک ورق مس صاف افزایش دادند و به توزیع بهتر لیتیوم کمک کردند و از تجمع نقاط متمرکز که منجر به تشکیل دندریت‌های آسیب‌زا می‌شوند، جلوگیری کردند.
لایه محافظ نانومتری برای افزایش عمر باتری‌های برقی
محققان گام دیگری را نیز فراتر نهادند و یک پوشش از MXene، ماده‌ای دوبعدی به ضخامت تقریباً ۱۰ نانومتر (که به‌اندازه‌ای کم‌عرض است که تنها چند هزارم ضخامت مو را می‌سازد) بر روی فویل مسی اعمال کردند. این پوشش MXene به‌عنوان بستری برای تشکیل یک لایه محافظ قوی و غنی از فلوراید لیتیوم (LiF) در طول عملکرد باتری عمل می‌کند. این لایه به کاهش واکنش‌های شیمیایی ناخواسته بین لیتیوم و الکترولیت کمک کرده و رشد ساختارهای مخرب لیتیوم را مهار می‌کند. با تثبیت سطح الکترود، این روش به رفع دو عامل عمده تخریب در باتری‌های برقی بدون آند کمک می‌کند. به منظور درک فرآیند شکل‌گیری این لایه محافظ، محققان از روش‌های تحلیلی پیشرفته، از جمله طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) برای بررسی سطوح الکترود و مقاطع داخلی استفاده کردند.
گامی به سوی باتری‌های کوچکتر و بادوام‌تر
پروفسور جین‌وو لی در این‌خصوص اظهار داشت: «این مطالعه نشان می‌دهد که چگونه تکنیک‌های فوق‌دقیق ساخت نیمه‌رسانا می‌توانند به‌طور همزمان سایت‌های یکنواخت برای رسوب لیتیوم و یک لایه محافظ پایدار را ایجاد کنند، بدون این‌که تغییراتی در فرمولاسیون الکترولیت یا افزودن لیتیوم اضافی به آن اعمال شود.» او تأکید کرد که این نتایج می‌توانند فرآیند توسعه تجاری باتری‌های بدون آند پرانرژی را تسریع کنند.
با افزایش عمر باتری در کنار کاهش وزن و حجم اضافی، این فناوری قادر خواهد بود به توسعه سیستم‌های ذخیره انرژی فشرده برای خودروهای برقی آینده کمک کند. این پژوهش به تاریخ ۱ سپتامبر ۲۰۲۶ در نشریه بین‌المللی مواد پیشرفته عملکردی به‌صورت آنلاین انتشار یافته و تأمین مالی آن به‌وسیله برنامه‌های توسعه فناوری نانو و مواد بنیاد ملی تحقیقات کره (NRF) و مرکز نانوفب ملی (NNFC) صورت گرفته است.