به‌گزارش یازاکو، در دورانی که فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی در مرکز توجه صنایع، پژوهشگران و سیاست‌گذاران قرار گرفته‌اند، یکی از چالش‌های بزرگ باتری‌های لیتیوم-یون عملکرد ضعیف آن‌ها در دماهای بسیار پایین است. سرمای شدید، رسانایی یونی را کاهش می‌دهد، عبور یون‌های لیتیوم را مختل می‌کند، مقاومت داخلی را افزایش می‌دهد و در برخی موارد موجب رشد دندریت‌های خطرناک می‌شود. این مشکل برای کاربردهایی چون پهپادهای قطب شمال، خودروهای برقی در زمستان، ماموریت‌های مریخی و تجهیزات فضایی به‌طور ویژه حیاتی است.
اکنون گروهی از محققان دانشگاه چانگ‌آن و دانشگاه فناوری کوئینزلند با رهبری پروفسور لیمین گِنگ، پروفسور ویجیا مِنگ و دکتر جیایه یه، مسیر جدیدی را معرفی کرده‌اند: الکترولیت‌های دمای پایین (LT) که با کمک مدل‌سازی هوش مصنوعی طراحی می‌شوند. این مطالعه که در Springer Nature منتشر شده، یک نقشه راه کامل برای نسل جدید باتری‌ها ارائه می‌دهد؛ باتری‌هایی که نه‌تنها در دمای ۳۰- تا ۴۰- درجه سانتی‌گراد عملکرد بالایی دارند، بلکه حتی برای استفاده در فضا و محیط‌های فرازمینی قابل اعتماد هستند.
فهرست
چگونه الکترولیت‌های دمای پایین آینده باتری‌ها را متحول می‌کنند؟
پژوهش جدید بر طراحی الکترولیت‌هایی متمرکز است که در شرایط سرمای شدید همچنان امکان شارژ و دشارژ پایدار باتری‌های لیتیوم-یون را حفظ می‌کنند. این الکترولیت‌ها بر پایه تغییرات هدفمند در ساختار مولکولی نمک‌های لیتیوم، تنظیم ثابت دی‌الکتریک و ویسکوزیته حلال، و ساخت لایه‌های بین‌فازی (SEI) با امپدانس پایین ساخته شده‌اند.
این تحقیق نوع‌های مختلف الکترولیت از جمله استری‌ها (مانند متیل استات و اتیل دی‌فلوئورواستات)، اتری‌ها (مانند DOL/DME، THF، CPME)، نیتریلی‌ها (مانند فلوئورواستونیتریل) و الکترولیت‌های ژل-پلیمر را بررسی کرده است. پژوهشگران نشان داده‌اند که ویژگی‌هایی چون نقطه انجماد، ثابت دی‌الکتریک و عدد دهنده، نقش اصلی را در نحوه حل شدن یون‌های لیتیوم و حرکت آن‌ها در سرمای شدید ایفا می‌کنند.
نقش هوش مصنوعی در کشف الکترولیت‌های جدید
یکی از پیشرفت‌های خیره‌کننده این مطالعه استفاده از مدل‌های یادگیری ماشینی آموزش‌دیده روی بیش از ۱۵۰ هزار مولکول است. این مدل‌ها قادرند نقطه ذوب، ویسکوزیته و انرژی LUMO را با دقت ۵ کلوین یا ۰.۱ الکترون‌ولت پیش‌بینی کنند. این دقت بالا باعث شده فرآیند کشف الکترولیت‌های مناسب که پیش‌تر ماه‌ها طول می‌کشید، اکنون تنها در چند ساعت انجام شود.
پژوهشگران برای تفسیر نتایج از روش‌های پیشرفته مانند تحلیل SHAP و محاسبات DFT با توان عملیاتی بالا استفاده کردند. این روش‌ها به آن‌ها کمک کرد تا ویژگی‌هایی همچون گشتاور دوقطبی و شعاع مولکولی را به‌عنوان مهم‌ترین توصیف‌گرهای تاثیرگذار تعیین کنند. بر اساس این بررسی‌ها، اترهای غیرفلورینه‌ای شناسایی شدند که در دمای ۳۰- درجه سانتی‌گراد توانستند در ۳۰۰ چرخه عملکرد خود را با ۹۹ درصد حفظ ظرفیت ادامه دهند.
کاربردهای صنعتی در فضا و زمین؛ از پهپادهای قطبی تا مأموریت‌های مریخی
اهمیت الکترولیت‌های دمای پایین تنها به آزمایشگاه محدود نمی‌شود. پژوهشگران اشاره می‌کنند که این الکترولیت‌ها می‌توانند در شرایطی که باتری‌های لیتیومی معمولی از کار می‌افتند، انرژی قابل اعتماد ارائه دهند. به عنوان مثال: باتری‌هایی که با الکترولیت ژل-پلیمر LT ساخته شوند، قادرند در دمای ۴۰- درجه سانتی‌گراد مدارهای چاپی انعطاف‌پذیر را تغذیه کنند؛ موضوعی که برای حسگرهای اینترنت اشیا و پردازش درون‌حافظه‌ای در هوای سرد بسیار مهم است.
در عرصه فضایی نیز، از مریخ‌نوردها گرفته تا ماهواره‌ها و ربات‌های کاوشگر، این نوع الکترولیت‌ها می‌توانند پایداری انرژی را تضمین کنند.
طراحی الکترولیت‌های نسل آینده با چارچوب‌های هوش مصنوعی
این مطالعه بر نقش مهم استراتژی‌های هوش مصنوعی در توسعه الکترولیت‌های آینده تاکید ویژه دارد. روش‌های نوینی که معرفی شده شامل موارد زیر است:
- غربالگری مجازی با توان عملیاتی بسیار بالا
- پیش‌بینی رابطه دقیق بین ساختار مولکولی و ویژگی‌های عملکردی
- ایجاد چارچوب‌های طراحی منطقی که انتخاب ترکیبات مناسب را چندین برابر سریع‌تر می‌کند
پژوهش پیش‌بینی می‌کند که در آینده استفاده از شبکه‌های عصبی «مبتنی بر فیزیک» که ساختار حلال‌پوشی یون‌ها را به رفتار آبکاری لیتیوم مرتبط می‌کنند، به استاندارد تبدیل خواهد شد. علاوه بر آن، پلتفرم‌های رباتیک خودکار می‌توانند پیش‌بینی‌های هوش مصنوعی را به سنتز در مقیاس لیتر تبدیل کنند؛ تحولی که چرخه تولید باتری در دمای پایین را متحول می‌کند.
مسیر آینده و چالش‌های باقی‌مانده
محققان تاکید می‌کنند که برای تجاری‌سازی کامل الکترولیت‌های LT، سه چالش کلیدی باید حل شود:
- نیاز به پروتکل‌های استاندارد آزمایش دمای پایین
- نیاز به مدل‌های فیزیکی دقیق‌تر برای تحلیل رشد دندریت
- لزوم اتصال فناوری‌های آزمایشگاهی به سلول‌های تجاری ۸ آمپرساعتی
این تیم همچنین به موضوع الکترولیت‌های با آنتروپی بالا، فرمولاسیون‌های مبتنی بر نمودار فازی و تحلیل‌های NMR درجا اشاره کرده‌اند که در پروژه‌های آینده گنجانده خواهند شد. این پژوهش یک نقطه عطف بزرگ برای آینده باتری‌های لیتیومی و اقتصاد سبز محسوب می‌شود. ترکیب علم مواد، شیمی پیشرفته و هوش مصنوعی نشان می‌دهد که می‌توان محدودیت تاریخی عملکرد باتری‌ها در سرمای شدید را کنار زد. با الکترولیت‌های دمای پایین می‌توان نسل جدیدی از سیستم‌های ذخیره‌سازی را توسعه داد که در کوهستان‌های سرد، قطب شمال، فضا و حتی محیط‌های فرازمینی قابل اعتماد باشند.
افزایش دوام باتری‌ها در دماهای ۳۰- و ۴۰- درجه، حفظ ۹۹ درصد ظرفیت حتی پس از ۳۰۰ چرخه و توانایی پیش‌بینی دقیق ویژگی‌ها با مدل‌های آموزش‌دیده بر ۱۵۰ هزار مولکول نشان می‌دهد که جهان در آستانه تحول بزرگی در فناوری انرژی قرار دارد.
این تحول نه‌تنها به پیشرفت صنایع هوشمند و حمل‌ونقل برقی کمک می‌کند، بلکه یکی از زیرساخت‌های اصلی گذار به اقتصاد سبز و انرژی پاک خواهد بود.