افزایش کارایی باتری‌های لیتیومی با ذرات کربنی سوراخ‌دار

افزایش کارایی باتری‌های لیتیومی با ذرات کربنی سوراخ‌دار

پژوهشگران دانشگاهی با سنتز میکروذراتی از جنس کربن سخت که دارای سوراخ‌های نانویی هستند و به‌کارگیری آن‌ها در تولید آند باتری‌های لیتیومی، عملکرد این باتری‌ها را به‌صورت همه‌جانبه بهبود بخشیده‌اند.

باتری لیتیومی

به گزارش ایسنا، باتری‌های لیتیومی یک خانواده از باتری‌های قابل شارژ هستند که تقریباً انرژی قابل‌دسترسی بالغ‌ بر دو برابر باتری‌های نسل قبل در اختیار قرار می‌دهند. این در حالی است که آن‌ها ۳ تا ۵ برابر سبک‌تر هستند و طول عمرشان نیز به میزان ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه شارژ/تخلیه است. هم‌اکنون این باتری‌ها در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی قابل‌حمل از قبیل تلفن همراه، لپ‌تاپ‌ها و سیستم‌های مخابراتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سید محمد جعفری، دانشجوی مقطع دکترای دانشگاه زنجان و از محققان طرح ضمن بیان معایب باتری‌های لیتیومی رایج، در خصوص اهداف دنبال شده در این طرح گفت:‌ یکی از اصلی‌ترین معایب الکترود باتری‌های لیتیومی، اثر افت کارایی است. کربن‌های گرافیتی مورد استفاده در باتری‌های امروزی پس از مدتی پوسته‌ پوسته می‌شوند و سپس باتری به‌کلی از کار می‌افتد. در این طرح سعی شده با بازطراحی آند و ایجاد تغییرات نانویی در ساختار آن‌ها، علاوه بر افزایش عمر و گستره دمایی کارکرد باتری، عملکرد آن نیز ارتقا بخشیده شود.

وی افزود: اصلاحات صورت گرفته بر روی الکترود آند باتری موجب خواهد شد که علاوه بر افزایش عمر باتری، سرعت شارژ آن نیز افزایش یابد. از سوی دیگر، یکی از معایب بزرگ باتری‌های لیتیومی، هزینه‌ بالای ساخت آن‌هاست که بخش اعظمی از آن مربوط به هزینه‌ ساخت الکترود است. در این پژوهش، از مواد و روش‌هایی استفاده شده است که هزینه‌ ساخت آند را به‌صورت چشمگیری کاهش می‌دهند.

جعفری تصریح کرد: مواد سنتز شده در این طرح دارای شکل هندسی کروی بوده و از دسته مواد نانومتخلخل هستند که علاوه بر استفاده در باتری‌های لیتیومی، پتانسیل بالایی در کاربردهای دیگری نظیر کاتالیست‌ها، حسگرها و غشاها دارند. مواد نانومتخلخل دارای حفراتی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. تخلخل بیشتر موجب افزایش سطح در دسترس برای نفوذ، درج و دفع لیتیوم می‌شود. هر چه ابعاد این حفرات بیشتر باشد، به دلیل تسهیل در انتقال یون لیتیوم، سرعت شارژ مناسب‌تر خواهد بود. اما از سوی دیگر حضور ماکروحفرات موجب می‌شود تا سطح مؤثر کاهش یافته و ظرفیت نیز متعاقب آن افت کند.

وی ادامه داد: پس باید یک شرایط بینابین ایجاد شود تا هم سرعت شارژ و هم ظرفیت باتری در حد مطلوب باشد. بنابراین الکترود آند دارای مزوحفره (بین ۲ تا ۵۰ نانومتر) جهت برقراری شرایط بهینه سنتز شده است. بدین منظور از یک روش ابتکاری برای سنتز میکروذرات سوراخ‌دار استفاده شده است. در این راستا از یک حلال به‌عنوان عامل ایجاد تخلخل استفاده شده که این روش نسبت به روش‌های دیگر تولید مواد متخلخل نظیر روش قالب‌گیری، هم ساده‌تر و هم بسیار ارزان‌تر است. همچنین این نوآوری، امکان کنترل حفرات در مقیاس نانو را (فقط با تغییر مقدار حلال) فراهم می‌کند.

جعفری خاطرنشان کرد: در طرح حاضر، میکروذرات کروی نانومتخلخل از جنس کربن سخت با بهره‌گیری از ترکیبی از روش میکروامولسیون و پلیمریزاسیون سنتز شده است. بدین منظور از رزین فنولیک به‌عنوان پیش ماده و از اتانول و اتیلن گلیکول به ترتیب به‌عنوان حلال و قالب نرم استفاده شده و پس از آن فرایند کربنیزه کردن انجام شده است.

وی اظهار کرد: استفاده از مقادیر متفاوت اتیلن گلیکول، منجر به تولید نانوذرات دارای نانوتخلخل و ساختار کریستالی متفاوت، حجم حفره‌ متفاوت، سطح مؤثر متفاوت و مهم‌تر از همه ظرفیت متفاوت برای ذخیره‌ یون لیتیوم شده است. نمونه‌های سنتز شده با استفاده از انواع آزمون‌های الکتروشیمیایی و فیزیکی مورد ارزیابی قرار گرفته و شرایط بهینه‌ ساختاری تعیین شده‌است.

جعفری تصریح کرد: از این طرح که از ابتدا با هدف تجاری‌سازی کلید خورده است، یک اختراع با عنوان «کربن سخت مزومتخلخل میکرودانه به‌عنوان ماده‌ فعال آندی باتری یون لیتیوم» به شماره ۸۹۴۷۷ ثبت شده است. این اختراع، عنوان اختراع برگزیده را در جشنواره‌ اختراعات بنیاد ملی نخبگان در سال ۱۳۹۵ از آن خود کرده است.

نتایج این تحقیقات که حاصل تلاش‌های سید محمد جعفری دانشجوی مقطع دکترای دانشگاه زنجان و دکتر محسن خسروی عضو هیأت علمی دانشگاه اصفهان است، در مجله‌ Electrochimica Acta با ضریب تأثیر ۴٫۷۹۸ منتشر شده است.

انتهای پیام

Loading...

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *