חוקרים ב-POSTECH, בראשות פרופסור Kyu-Young Park, פיתחו טכנולוגיית סינתזה חד-גבישית חדשה לחומרי קתודה מבוססי ניקל בסוללות רכב חשמלי, והדגימו תוחלת חיים ועמידות משופרים משמעותית. עבודתם, שפורסמה ב חומרים וממשקים של ACSמדגיש את הטמפרטורה הקריטית הדרושה לסינתזה של גבישים בודדים חזקים, ותורמת לסוללות עמידות ויעילות יותר.
חוקרי POSTECH מתקדמים בטכנולוגיית סוללות רכב חשמלי על ידי פיתוח שיטה לסינתזה של חומרים קתודיים חד-גבישיים עמידים, תוך הארכת חיי הסוללה ויעילותם.
האם גבישים בודדים בטמפרטורה גבוהה יכולים לאפשר כלי רכב חשמליים המסוגלים לנסוע עד מיליון קילומטרים?
צוות מאוניברסיטת פוהאנג למדע וטכנולוגיה (POSTECH), בהנהגתו של פרופסור קיו-יאנג פארק מהמכון לתואר שני לטכנולוגיית חומרים ברזליים וחומרים אקולוגיים והמחלקה למדע והנדסת חומרים, יחד עם המועמד לדוקטורט Kyoung Eun Lee ובוגר יורה קים, עשתה התקדמות משמעותית. בשיתוף פעולה עם POSCO Holdings N.EX.T Hub, הם פיתחו בהצלחה טכנולוגיית סינתזה חד-גביש המשפרת מאוד את אורך החיים של חומרי הקתודה המשמשים בכלי רכב חשמליים.
מחקר זה פורסם במהדורה המקוונת של חומרים וממשקים של ACSכתב עת בינלאומי בתחום מדעי החומרים.
סוללות ליתיום (Li), המשמשות בדרך כלל בכלי רכב חשמליים, אוגרות אנרגיה על ידי המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה כימית וייצור חשמל כדי לשחרר אנרגיה כימית לאנרגיה חשמלית באמצעות תנועת אריות בין קתודה לאנודה. סוללות משניות אלו משתמשות בעיקר בחומרי קתודה ניקל (Ni) בשל יכולת האחסון הגבוהה שלהן בליתיום-יון. לחומרים מסורתיים המבוססים על ניקל יש מורפולוגיה רב גבישית המורכבת מגבישים זעירים רבים שעלולים לעבור השפלה מבנית במהלך טעינה ופריקה, מה שמפחית משמעותית את תוחלת החיים שלהם.
היתרונות של חומרי קתודה חד-גבישית
גישה אחת לטיפול בבעיה זו היא לייצר את חומר הקתודה בצורה "חד-גביש". יצירת חומרים קתודה מבוססי ניקל כחלקיקים גדולים בודדים, או "גבישים בודדים", יכולה לשפר את היציבות המבנית והכימית שלהם ועמידותם. ידוע כי חומרים חד-גבישיים מסונתזים בטמפרטורות גבוהות והופכים לקשיחים. עם זאת, התהליך המדויק של התקשות במהלך הסינתזה והתנאים הספציפיים שבהם זה מתרחש עדיין לא ברור.
סכימה של התפתחות המיקרו-מבנה של חומרים קתודיים בעלי ניקל גבוה עם טמפרטורת סינתזה ואסטרטגיה לסינתזה של גבישים בודדים בטמפרטורה קריטית. קרדיט: POSTECH
כדי לשפר את העמידות של חומרי קתודה ניקל לכלי רכב חשמליים, החוקרים התמקדו בזיהוי טמפרטורה ספציפית, המכונה "טמפרטורה קריטית", שבה מסונתזים חומרים חד-גבישיים באיכות גבוהה. הם חקרו טמפרטורות סינתזה שונות כדי לקבוע את התנאים האופטימליים ליצירת גבישים בודדים בסינתזה של חומר קתודה על בסיס ניקל (N884). הצוות צפה באופן שיטתי בהשפעת הטמפרטורה על קיבולת החומר וביצועיו לטווח ארוך.
החוקרים גילו כי חומרים פולי-גבישיים קונבנציונליים המסונתזים מתחת לטמפרטורה קריטית מסוימת נוטים להתכלות עם שימוש ממושך בסוללות משניות. עם זאת, כאשר מסונתזים מעל טמפרטורה קריטית זו, ניתן לייצר בקלות גבישים בודדים באיכות גבוהה, מה שמוביל לחומרים בעלי אורך חיים מעולה.
זה נובע מתהליך שנקרא "צפיפות" המתרחש מעל טמפרטורה קריטית מסוימת. במהלך תהליך זה, גודל הגרגיר הפנימי של החומר גדל והחללים הריקים בתוך החומר מתמלאים בצפיפות. גבישים בודדים צפופים הם קשים במיוחד ועמידים בפני השפלה לאורך תקופות ממושכות, מה שמשפר משמעותית את העמידות שלהם. בהתבסס על ממצאים אלה, הצוות אישר כי סינתזה של גבישים בודדים מעל הטמפרטורה הקריטית היא אסטרטגיית עיצוב חומר מועילה יותר. הם גם הציעו שיטה יעילה לסינתזה של חומרים חד-גבישיים באיכות גבוהה.
פרופסור Kyu-Young Park מ-POSTECH הצהיר, "הצגנו אסטרטגיית סינתזה חדשה כדי לשפר את העמידות של חומרים קתודה מבוססי ניקל." הוא הוסיף, "נמשיך במחקר שלנו כדי להפוך סוללות משניות לרכבים חשמליים לזולים, מהירים יותר ועמידים יותר".
המחקר נערך בתמיכת POSCO Holdings ותוכנית המחקר הבסיסי של משרד המדע והתקשוב.
