باتری سیلیکون-کربن راز تولید این باتری ها

راهکار اول، جاسازی نانوذرات سیلیکون در یک شبکه‌ی شش‌ضلعی از کربن (گرافن) است؛ درست مشابه پوشاندن تیله‌ها در یک پارچه. با پوشاندن سیلیکون با یک لایه‌ی تک‌اتمی از اتم‌های گرافن، انبساط سیلیکون مهار می‌شود و درعین‌حال مسیرهای الکتریکی برای عبور یون‌ها حفظ می‌شود.

راهکار دوم، استفاده از کامپوزیت‌های هسته-پوسته به‌عنوان راهکار دیگری است که در آن ذرات سیلیکون با یک لایه‌ی محافظ از کربن پوشیده می‌شوند. این طراحی به شکلات M&M شباهت دارد: یک هسته‌ی شکننده از سیلیکون که با یک پوسته‌ی رسانای کربنی محافظت می‌شود. این لایه‌ی محافظ از تماس مستقیم سیلیکون با الکترولیت جلوگیری می‌کند تا از خورده شدن به‌دلیل وقوع واکنش‌های ناخواسته‌ی جانبی، اجتناب شود.

شرکت‌هایی مانند Group14 Technologies از این معماری هسته-پوسته بهره می‌برند و با ترکیب سیلیکون و گرافیت، آندهای هیبریدی ایجاد می‌کنند. به عنوان مثال، در نسل سوم باتری سیلیکون-کربن گوشی‌های جدید آنر، سیلیکون روی یک پایه‌ی گرافیتی لایه‌بندی شده است تا تعادل میان افزایش ظرفیت و پایداری ساختاری برقرار شود.

نوآوری‌های بررسی‌شده فقط در سطح آزمایشگاهی باقی نمانده‌اند. گوشی تاشوی میکس فولد ۴ شیائومی که تنها ۹٫۵ میلی‌متر ضخامت دارد، از یک باتری ۵۱۰۰ میلی‌آمپرساعت با همین طراحی هیبریدی استفاده می‌کند. مهندسان با ترکیب ظرفیت بالای سیلیکون و استحکام کربن، از مشکلات سیلیکون خالص دوری کرده و چگالی انرژی را به سطحی بی‌سابقه رسانده‌اند.

راهکار سوم، شامل استفاده از نانوسیم‌ها است. نانوسیم‌ها ساختارهای بسیار نازکی با قطر در حد نانومتر (یک میلیاردم متر) هستند که از مواد نیمه‌رسانا یا فلزی، مانند سیلیکون ساخته می‌شوند. این ساختارها به‌دلیل نسبت سطح به حجم بسیار بالا و امکان انتقال کارآمد بار الکتریکی، به‌عنوان اجزای کلیدی در فناوری‌های نوین باتری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در باتری‌های سیلیکون-کربن کنونی، نانوسیم‌ها اغلب در آند به‌کار می‌روند تا مسئله‌ی انبساط و انقباض سیلیکون طی فرایند شارژ و تخلیه را حل کنند. نانوسیم‌ها با ساختار یک‌بعدی و انعطاف‌پذیر خود، فضای کافی برای این انبساط فراهم کرده و از تخریب آند جلوگیری می‌کنند.

درحالی‌که ترکیب‌های آند، توجه بیشتری را به خود جلب می‌کنند، الکترولیت نیز نقشی به همان اندازه حیاتی دارد. الکترولیت‌های مرسوم که ترکیبی از نمک‌های لیتیوم و حلال‌های آلی بودند، در برابر انبساط سیلیکون دچار مشکل می‌شوند.

تورم مداوم باعث ترک‌خوردگی در لایه‌ی رابط الکترولیت حالت‌جامد (Solid Electrolyte Interface یا SEI) می‌شود. الکترولیت‌های حالت‌جامد، مواد جامدی هستند که جایگزین الکترولیت‌های مایع یا ژله‌ای در باتری‌های لیتیوم-یونی می‌شوند. این مواد، معمولاً از سرامیک‌ها، پلیمرهای خاص یا ترکیبات سولفیدی ساخته می‌شوند و نقش انتقال یون‌ها (مانند لیتیوم) بین کاتد و آند را بر عهده دارند.

این لایه مانند یک دروازه‌بان بد عمل می‌کند و اجازه‌ی عبور یون‌های لیتیوم را می‌دهد اما عبور الکترون‌ها را مسدود می‌کند. با هر بار تخریب، SEI به‌طور نامنظم بازسازی و باعث واکنش بیشتر بین لیتیوم و الکترولیت می‌شود که در نهایت، عملکرد باتری را به‌مرور کاهش می‌دهد.

برای حل این شکل، محققان در حال بازطراحی الکترولیت‌ها هستند. الکترولیت‌های حالت‌جامد که از سرامیک یا پلیمر ساخته می‌شوند، یک سد مکانیکی در برابر انبساط سیلیکون ایجاد می‌کنند. همین مواد سخت، با محدود کردن آند، تورم را کاهش می‌دهند، درحالی‌که حلّال‌های قابل اشتعال را نیز از معادله حذف می‌کنند.

پیاده‌سازی الکترولیت حالت‌جامد، موفقیتی دوگانه برای ایمنی و طول عمر بیشتر در باتری‌ها محسوب می‌شود. شرکت‌های نوپایی مانند سیلا نانوتکنولوجیز (Sila NanoTechnologies) آند سیلیکونی را با الکترولیت پلیمری پیشرفته ترکیب می‌کند که در آزمایش‌ها امکان شارژ تا سطح ۸۰ درصد در کمتر از ۶ دقیقه و افزایش چرخه‌ی عمر را فراهم کرده است.

در خلال توسعه‌ی مواد جدید برای آند و کاتد، الکترولیت‌های مایع نیز در حال پیشرفت هستند. افزودنی‌هایی مانند فلورواتیلن کربنات (FEC) لایه‌ی SEI را تقویت و یک مانع انعطاف‌پذیر و خودترمیم‌شونده ایجاد می‌کنند. این امر از اتلاف لیتیوم جلوگیری و عملکرد باتری را تثبیت می‌کند.

رویکرد امیدوارکننده‌ی دیگر، پلیمرهای خودترمیم‌شونده هستند؛ مواد الهام‌گرفته از سیستم‌های زیستی که به‌طور خودکار ترک‌های میکروسکوپی را در الکترودها ترمیم می‌کنند. این پلیمرها که درون ماتریس آند تعبیه شده‌اند، از پیوندهای شیمیایی برگشت‌پذیر برای پر کردن شکاف‌هایی که بر اثر تورم سیلیکون ایجاد شده‌اند، استفاده می‌کنند.

استارتاپ‌هایی مانند Group14 از این پلیمرها در ترکیب‌های سیلیکون-کربن خود بهره می‌برند و توانسته‌اند چرخه‌ی عمر باتری را از چند صد شارژ به بیش از ۱۰۰۰ شارژ افزایش دهند. این روش نه‌تنها ظرفیت باتری را حفظ می‌کند، بلکه نیاز به تعویض مکرر باتری را کاهش می‌دهد.

جادوی باتری‌های سیلیکون-کربن در سطح اتمی رخ می‌دهد. هنگام شارژ و با وارد شدن انرژی، یون‌های لیتیوم از کاتد (مانند اکسید کبالت لیتیوم) جدا می‌شوند و از طریق الکترولیت به آند سیلیکون-کربن مهاجرت می‌کنند.

در آنجا، آن‌ها با سیلیکون واکنش نشان می‌دهند و طی فرایند لیتیاسیون، آلیاژ لیتیوم سیلیکون (LiₓSiₓ) را تشکیل می‌دهند. این واکنش آلیاژی، همان چیزی است که باعث انبساط شدید سیلیکون می‌شود: هنگامی که یون‌های لیتیوم درون شبکه‌ی سیلیکونی نفوذ می‌کنند، ساختار آن مانند اسفنجی که آب را جذب می‌کند، متورم می‌شود.

در هنگام تخلیه، واکنش یادشده به‌صورت معکوس انجام می‌شود. یون‌های لیتیوم به‌تدریج از آند آزاد می‌شوند و به کاتد بازمی‌گردند و انرژی ذخیره‌شده را آزاد می‌کنند؛ اما هر چرخه، ساختار ماتریس سیلیکون-کربن را تحت فشار قرار می‌دهد. بدون چارچوب پشتیبان کربن، سیلیکون خالص پس از چند چرخه به‌طور برگشت‌ناپذیری ترک می‌خورد.

طراحی‌های ترکیبی، مشکل تخریب سیلیکون را با محدود کردن نقش آن کاهش می‌دهند؛ زیرا گرافیت وظیفه‌ی ذخیره‌ی یون‌ها را بر عهده دارد، درحالی‌که سیلیکون در مراحل پرمصرف، وارد عمل می‌شود.

رقابت میان باتری‌های سیلیکون-کربن و لیتیوم یون نیاز به توازن ظریفی بین افزایش عملکرد، ملاحظات مهندسی و غلبه بر چالش‌های علم مواد دارد. در مرکز این رقابت، چگالی انرژی قرار دارد. باتری‌های سیلیکون-کربن در زمینه‌ی چگالی نرژی برتری دارند، زیرا سیلیکون می‌تواند تا ۱۰ برابر بیشتر از گرافیت، که ماده‌ی رایج در آند باتری‌های لیتیوم-یون است، یون‌ها را ذخیره کند.

این مزیت به‌طور مستقیم در کاربردهای دنیای واقعی دیده می‌شود. برای مثال، گوشی مجیک پرو ۶ آنر با نسل دوم باتری‌های سیلیکون-کربن و ظرفیت ۵۴۵۰ میلی‌آمپرساعتی عرضه شده است که تنها ۸٫۷۷ میلی‌متر ضخامت دارد.

در مقابل، گوشی گلکسی زد فولد ۶ سامسونگ، که از باتری معمول لیتیوم یون استفاده می‌کند، باوجود ضخامت بیشتر و باتری وسیع‌تر، تنها یک باتری ۴۴۰۰ میلی‌آمپرساعتی دارد. طراحی باریک‌تر و ظرفیت بیشتر باتری‌های سیلیکون-کربن صرفاً یک پیشرفت جزئی نیست؛ بلکه مرزهای طراحی را برای دستگاه‌های تاشو و فوق باریک، از نو تعریف می‌کند.

در خودروهای برقی، اهمیت پیشرفت فناوری باتری حتی بیشتر به چشم می‌آید. مرسدس بنز، در همکاری با شرکت پیشگام آندهای سیلیکونی، سیلا، سلول‌هایی با ظرفیت ۴۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم توسعه داده است که افزایشی ۲۰ تا ۴۰ درصدی نسبت به بهترین باتری‌های لیتیوم یونی امروزی دارد.

بااین‌حال، توانایی استثنایی سیلیکون در ذخیره‌ی انرژی، یک چالش اساسی نیز به‌همراه دارد: دوام و چرخه‌ی عمر. مطالعات نشان می‌دهند که سلول‌های اولیه‌ی سیلیکون-کربن تنها بین ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه‌ی عمر دوام می‌آورند؛ درحالی‌که باتری‌های لیتیوم-یون معمولاً بیش از ۱۰۰۰ چرخه‌ی عمر را بدون افت شدید ظرفیت تحمل می‌کنند.

به‌کارگیری راهکارهای بررسی‌شده، مشکلات تورم سیلیکون در باتری‌های حاوی سیلیکون را رفع می‌کند، اما چالش‌هایی همچنان پابرجا هستند. به عنوان نمونه، فرآوری سیلیکون خالص هزینه‌بر است و گسترش آندهای مبتنی بر نانوسیم، به تولید دقیق و کنترل‌شده‌ای نیاز دارد.

درحال‌حاضر، بیشتر باتری‌های سیلیکون-کربن مقدار کمی سیلیکون را با گرافیت ترکیب می‌کنند؛ راهکاری که بین عملکرد بالا و عملی بودن، تعادل برقرار می‌کند.

باتری‌های سیلیکون-کربن نه‌تنها ظرفیت بیشتری دارند، بلکه در سرعت شارژ و ایمنی نیز از فناوری‌های فعلی پیشی می‌گیرند. آندهای نانوساختاری سیلیکون-کربنی، نفوذ یون‌ها را سریع‌تر می‌کنند. در نمونه‌های اولیه‌ای مانند آنچه شرکت Amprius Technologies توسعه داده است، دستیابی به شارژ تا ۸۰ درصد در کمتر از ۶ دقیقه ممکن می‌شود.

باتری‌های سیلیکون-کربن نوید تغییر اساسی را در ذخیره‌ی انرژی می‌دهند، اما تسلط آن‌ها بر بازار، به غلبه بر چالش‌های فنی قابل‌‌توجهی بستگی دارد. از پیشرفت‌های علم مواد گرفته تا ادغام فناوری مذکور در کاربردهای واقعی، محققان و مهندسان در حال توسعه‌ی راهکارهایی هستند تا این پتانسیل آزمایشگاهی را به یک محصول تجاری تبدیل کنند.

برخلاف باتری‌های لیتیوم یون که منحنی ولتاژ پیش‌بینی‌پذیری دارند، سلول‌های سیلیکون-کربن الگوهای فرسودگی غیرخطی از خود نشان می‌دهند. به همین دلیل، گوشی‌های هوشمند مدرن با استفاده از الگوریتم‌های هوش مصنوعی بر نقاط تنش الکتروشیمیایی نظارت و بدین ترتیب نرخ شارژ را برای کاهش تخریب باتری تنظیم می‌کنند.

در حوزه‌ی گوشی‌های هوشمند، شرکت‌هایی مانند آنر، شیائومی و هواوی پیشگام این فناوری هستند. اگرچه اپل و سامسونگ هنوز دستگاه‌های مصرفی مجهزبه باتری‌های سیلیکون-کربن را عرضه نکرده‌اند، اسناد ثبت اختراع تحقیقات فعال آن‌ها را در این حوزه نشان می‌دهد. تمرکز سامسونگ بر تحقیق و توسعه در زمینه‌ی آندهای پوشش داده‌شده با گرافن، رقابت برای رسیدن به نوآوران چینی را نشان می‌دهد.

TDK

به‌طور معمول، باتری‌های سیلیکون-کربن همچنان ۲۰ تا ۳۰ درصد گران‌تر از معادل‌های لیتیوم یون هستند. با گسترش تولید انبوه و نوآوری‌هایی مانند پوشش الکترود خشک (که از سوی تسلا ابداع شد)، این شکاف هزینه‌ای کاهش می‌یابد.

به منظور حمایت از پروژه‌های توسعه‌ی پایدار سبز، اخیراً دولت‌ها نیز وارد عمل شده‌اند؛ به عنوان مثال، وزارت انرژی ایالات متحده، کمک‌هزینه‌ای ۲۵۰ میلیون دلاری را برای تسریع در تولید داخلی اختصاص داده است تا وابستگی به زنجیره‌های تأمین آسیایی و هزینه‌های واردات را کاهش دهد.

مسیر آینده

باتری سیلیکون-کربن تلفیقی از علم مواد و نوآوری هستند. با بهره‌گیری از ظرفیت فوق‌العاده‌ی سیلیکون و اصلاح نواقص آن از طریق مهندسی کربن و پیشرفت‌های الکترولیتی، محققان در حال تغییر شکل فناوری ذخیره‌سازی انرژی هستند؛ اما چالش‌هایی همچنان باقی مانده‌اند: افزایش مقیاس تولید، کاهش هزینه‌ها و بهبود قابلیت بازیافت.

باتری‌های سیلیکون-کربن بدون شک تحولی شگرف به وجود خواهند آورد، اما گسترش استفاده از آن‌ها به غلبه بر دو چالش پیچیده بستگی دارد: مقیاس‌پذیری و سرعت نوآوری. درحالی‌که گوشی‌های هوشمند و خودروهای برقی موجب پذیرش اولیه‌ی این فناوری خواهند شد، موفقیت در بازار انبوه نیازمند حل چالش‌های تولید است.

دستاوردهای این فناوری بسیار بزرگ است: گوشی‌های نازک‌تر، خودروهای برقی با دوام بیشتر و شبکه‌های انرژی دوستدار محیط زیست. اما پیشرفت، به‌صورت تدریجی حاصل می‌شود و سیلیکون-کربن به‌سرعت جایگزین باتری‌های لیتیوم یون نخواهد شد. در عوض، فناوری مورد بحث جایگاهی را خواهد ساخت که در آن‌ها مزایای آن از هزینه‌ها پیشی می‌گیرد.

درحال‌حاضر، سؤال این نیست که آیا سیلیکون-کربن بر حوزه‌ی باتری چیره خواهد شد یا خیر، بلکه فقط نمی‌دانیم کجا و چه زمانی این اتفاق خواهد افتاد. با تسریع پژوهش‌ها و توسعه، پاسخ این سؤال بسیار زودتر از آنچه که فکر می‌کنیم، آشکار خواهد شد.