جایزه نوبل شیمی سال 2019 به طور مشترک به آقایان جان گودایناف از دانشگاه تگزاس در آستین آمریکا، استنلی ویتینگهام از دانشگاه بینگهامتون آمریکا و آکیرا یوشینو از دانشگاه میجو (Meijo) ژاپن به جهت اقدامات مؤثرشان در راستای توسعه باتری‌های لیتیوم یون اهدا شد. پروفسور گودایناف اخیراً مقاله‌ای را در مجله Science China Chemistry با عنوان "A Perspective on the Lithium-ion Battery" چاپ کرده و در آن درباره تاریخچه، چالش‌های فعلی و راهکارهای نویدبخش در مسیر پیشرفت باتری‌های لیتیوم یون در آینده سخن به میان آورده است.
تحقیقات در حوزه باتری‌های مدرن شارژپذیر در دهه 1960 آغاز شد و در گام اول، خواص شیمیایی مواد در اثر فرایند برگشت‌پذیر لیتیوم‌زایی/زدایی در ساختار دی‌سولفید فلزات واسطه (MS2) مورد بررسی قرار گرفت. در همین راستا در سال 1976 آقای ویتینگهام مطرح کرد که TiS2 می‌تواند نقش بهترین میزبان را برای یون‌های لیتیوم ایفا کند. اما مشکل جدی در کار آقای ویتینگهام خیلی زود بروز کرد و آن ناشی از استفاده از آند فلز لیتیوم بود. در اثر فرایند شارژ، یون‌های Li+ از TiS2 جدا شده و به Li0 در سطح فلز لیتیوم احیا می‌شوند. ترسیب غیر یکنواخت ذرات لیتیوم بر سطح فلز که ناشی از تفاوت در انرژی‌های هسته‌زایی است منجر به تشکیل شاخه‌های دندریتی نامنظمی بر سطح آند می‌شود. در اثر رشد مداوم این شاخه‌ها، صفحه جداکننده سوراخ شده و باعث اتصال کوتاه در باتری می‌شود که در نهایت، اشتعال الکترولیت مایع و انفجار باتری را به دنبال دارد. این وضعیت باعث ایجاد وقفه در روند توسعه باتری‌های لیتیوم یون گردید.
در دهه 1980، باتری‌های لیتیومی با اقدامات آقای گودایناف و معرفی باتری فاقد فلز لیتیوم جانِ تازه‌ای به خود گرفتند. از آنجاییکه فلز لیتیوم منبعی برای تأمین یون +Li به شمار می‌آید؛ لذا حذف آن نیازمند ماده کاتدی یا آندی است که تأمین‌کننده مقدار فراوانی یون‌های +Li است. در همین راستا ایشان موفق شدند ترکیبی با ساختاری لایه‌ای را به عنوان ماده کاتدی با نام لیتیوم کبالت اکسید (LiCoO2) معرفی کنند و از آنجاییکه عملکرد باتری تحت تأثیر یون لیتیوم و نه فلز لیتیوم است باتری با نام باتری لیتیوم یون شهرت پیدا کرد.
در سال 1987 دکتر یوشینو اولین نوع باتری لیتیوم یون با آند گرافیت و کاتد LiCoO2 را طراحی کرد که مورد تأیید شرکت سونی قرار گرفته و مقدمه‌ای برای تجاری‌سازی باتری‌های لیتیوم یون در سال 1991 شد. در طی سالیان گذشته نیز مواد کاتدی این باتری‌ها انواع گوناگونی پیدا کردند که از لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) تا لیتیوم منگنز کبالت اکسید (NMC) و لیتیوم نیکل کبالت آلومینیوم اکسید (NCA) و ... را شامل می‌شد.
باتری‌های پیشرفته لیتیوم یون هنوز هم با چالش‌ها و محدویت‌هایی مواجه هستند که تلاش زیادی را در هر دو بخش دانشگاه و صنعت به خود معطوف کرده‌اند. از جمله این مشکلات می‌توان به این موارد اشاره کرد: 1) اشتعال الکترولیت مایع آلی که خطرات ایمنی به دنبال دارد. 2) افزایش سرعت شارژ منجر به ترسیب ذرات لیتیوم فلزی بر آند کربنی می‌شود و عمر باتری را کاهش می‌دهد. 3) شارژ بیش از حد، ساختار LiCoO2 را تخریب می‌کند.
رفع اینگونه نواقص نیازمند بررسی دقیقی از شرایط عملکرد باتری است که هزینه نگهداری و ساخت باتری را نیز به شدت افزایش می‌دهد.
پروفسور گودایناف در پایان مطالب، راهکارهایی را برای ارتقای نسل فعلی باتری‌های لیتیوم یون پیشنهاد دادند نظیر بکار بردنِ جایگزین‌هایی برای الکترولیت مایع که می‌تواند بخش عمده‌ای از این محدودیت‌ها را رفع کند. از این جمله می‌توان ساختارهای اکسید بی شکل فروالکتریک و الکترولیت‌های پلیمری آغشته شده با محلول‌های لیتیومی آلی را به عنوان گزینه‌های مناسب معرفی کرد.
تهیه و تنظیم: علی صادقی
