تصور کنید اکنون می‌خواهید پشت فرمان خودرو الکتریکی خود بنشینید و به‌‌سوی مقصدی در فاصله‌‌ی چندهزارکیلومتری حرکت کنید. در چنین شرایطی، دیگر طبعا نباید دغدغه‌‌ی وضعیت آب رادیاتور، روغن، میزان بنزین و... را داشته باشید. پس چه‌‌ عاملی واقعا شما را باید از انجام چنین سفری با خودروتان بازدارد؟

شاید تاکنون اصطلاحی مانند دغدغه‌‌ی مسافت به‌گوشتان نخورده باشد. این اصطلاح به یکی از مهم‌‌ترین مشکلات پیش‌‌روی صنعت خودرو الکتریکی اشاره می‌کند: نگرانی رانندگان از اتمام شارژ باتری خودرو الکتریکی پیش از رسیدن به مقصد. این دغدغه‌‌ی رانندگان باتوجه‌به سرعت بسیار کُند شارژ باتری‌‌های فعلی که گاهی به یک ساعت یا بیشتر نیز می‌‌رسد، امری بسیار طبیعی است. بنابراین، بسیاری از پژوهشگران فعال در این صنعت، تمرکز خود را روی حل این معضل معطوف کرده‌‌اند.

دراین‌میان، خبر خوشحال‌کننده این است که دستاورد تازه‌‌ی دانشمندان دانشگاه ایالتی پن احتمالا می‌‌تواند راهکاری برای شارژ صفر تا ۱۰۰ درصد باتری خودرو الکتریکی فقط در چند دقیقه ارائه کند. چائو یانگ‌وانگ، مهندس شیمی این تیم پژوهشی، این‌‌گونه توضیح می‌‌دهد:

نشان داده‌‌ایم که می‌‌توان خودرو الکتریکی را تنها در چند دقیقه برای طی مسافت ۲۰۰ تا ۳۰۰ مایلی (حدود ۳۰۰ تا ۵۰۰ کیلومتری) شارژ کرد. درضمن، این عمل را می‌‌توان برای ۲۵۰۰ سیکل شارژ تکرار کرد که معادل طی مسافتی به‌‌اندازه‌‌ی نیم‌میلیون مایل (۸۰۰ هزار کیلومتر) خواهد بود.

نکته‌‌ی آخری که در سخنان یانگ‌‌وانگ اشاره شد، از اهمیت بسیاری برخوردار است؛ چراکه باتری‌‌های خودروهای الکتریکی مانند نمونه‌‌های موجود در تلفن‌همراه و نوت‌‌بوک از فناوری لیتیوم‌یونی بهره می‌‌برند و این بدان‌معنا است که آن‌‌ها هم تا پیش از رسیدن به پایان عمر مفید خود، فقط می‌‌توانند تعداد محدودی سیکل شارژ و تخلیه را پشت‌سر بگذارند.

یکی از عواملی که می‌‌تواند در کاهش عمر مفید باتری‌‌ها مؤثر باشد، حرارت است؛ از‌این‌رو، تولیدکنندگان باتری‌‌های خودروهای الکتریکی عموما به رانندگان توصیه می‌‌کنند اجازه ندهند دمای باتری خودروشان بیش‌از‌اندازه افزایش یابد تا دچار مشکلاتی نظیر کاهش عمر مفید این ادوات نشوند. در‌این‌میان، دپارتمان انرژی ایالات متحده‌ی آمریکا نیز برای تدوین استاندارد شارژ بسیار سریع (XFC) برای خودروهای الکتریکی تلاش می‌کند؛ استانداردی که بتواند شرایط لازم به‌منظور شارژ خودروهای الکتریکی فقط در ۱۰ دقیقه و برای طی مسافتی افزون‌بر ۲۰۰ مایل (۳۲۰ کیلومتر) را تبیین کند.

تیم پژوهشی دانشگاه پن ادعا می‌‌کند طراحی جدید آن‌‌ها می‌‌تواند با ازمیان‌برداشتن یکی از بزرگ‌‌ترین موانع موجود بر سر فناوری XFC، زمینه‌ی رسیدن به این هدف بلندپروازانه را فراهم کند. پژوهشگران در مقاله‌‌ی جدید خود گفته‌‌اند:

یکی از محدودیت‌‌های مهم در فناوری شارژ بسیار سریع، ایجاد پوشش لیتیومی است؛ اشکالی که معمولا در سرعت‌‌های شارژ سریع بروز می‌‌کند و عمر مفید و سطح ایمنی باتری را به‌‌شدت تحت تأثیر قرار می‌‌دهد.

پوشش لیتیومی یا به‌عبارتی آب‌کاری لیتیومی زمانی ایجاد می‌‌شود که هنگام شارژ مقادیری از لیتیوم به‌‌صورت ناخواسته روی الکترود آند انباشته شود. به‌‌نظر می‌رسد افزایش دما برای باتری‌‌های لیتیومی آثار زیان‌‌بار داشته باشد. با‌این‌حال، نتایج پژوهش تازه نشان می‌‌دهد افزایش دما در دوره‌‌های کوتاه باعث کاهش میزان پوشش لیتیومی درون باتری می‌‌شود. وانگ می‌‌گوید:

در گذشته، باور عمومی این بود که به‌‌دلیل نگرانی‌‌های ناشی از تشدید واکنش‌‌های جانبی، نباید از باتری‌‌های لیتیومی در دماهای زیاد بهره‌‌برداری کرد.

پژوهشگران به‌‌طور خاص دریافته‌‌اند باتری‌‌هایی که موقتا در دمای ۶۰ درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد برای ۱۰ دقیقه از زمان شارژ خود حرارت داده شوند، ازلحاظ نظری می‌‌توانند الزامات استاندارد XFC را برآورده کنند و در‌عین‌حال، عمری حدود ۱،۷۰۰ سیکل شارژ هم داشته باشند. درمقابل، آن دسته از باتری‌‌هایی که دمای آن‌‌ها در آزمایش کنترل نشده بود، تنها پس از طی ۶۰ سیکل شارژ و تخلیه دیگر کاربردی نبودند. نتایج گزارش‌‌شده نشان می‌‌دهد با اینکه حرارت‌‌دادن باتری‌‌های لیتوم‌یون روش غیرمعمولی به‌‌نظر می‌‌آید، پاسخ‌گوی نیازهای پژوهشگران بوده است. وانگ می‌‌افزاید:

افزایش دمای این باتری‌‌های به بیش از ۶۰ درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد در صنعت باتری‌‌ها ممنوع است. این میزان دما بسیار زیاد و برای مواد درون باتری خطرساز است و عمر باتری را به‌‌شکل درخورتوجهی کاهش می‌‌دهد.

با‌این‌حال، در آزمایش‌‌های کنترل‌‌شده‌‌ی پژوهشگران حرارت‌‌دهی باتری موجب حذف پدیده‌‌ی ایجاد پوشش لیتیومی شد؛ اما زمان این حرارت‌‌دهی به‌‌قدری کوتاه بود که از شکل‌گیری سایر ترکیبات خطرناک موسوم‌‌ به میان‌‌فازهای الکترولیت جامد (SEI) درون باتری مانع شود. بااین‌همه، تحقیقات این تیم به همین‌‌جا ختم نخواهد شد و حال‌که توانسته‌‌اند به‌شکل مؤثری الزامات مربوط به استاندارد XFC را در بخش باتری‌‌ها برآورده کنند، زمان آن رسیده است تحقیقات خود را برای یافتن مواد موردنیاز برای شارژ باتری‌‌های خودروهای الکتریکی در مدتی کمتر از پنج دقیقه متمرکز کنند.

نتایج این پژوهش در ژورنال علمی ژول منتشر شده است.