نانوپوشش جدید عمر باتری‌های لیتیوم‌یون را افزایش می‌دهد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، باتری‌های لیتیوم-یون به خودرو‌های الکتریکی و بیشتر تجهیزات الکترونیکی از لپ‌تاپ گرفته تا تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها، لوازم خانگی هوشمند و دستگاه‌های پوشیدنی نیرو می‌دهند. این باتری‌ها با به حرکت درآوردن یون‌های لیتیوم بین دو الکترود که به عنوان آند و کاتد شناخته می‌شوند، شارژ و دشارژ می‌شوند.

به نقل از تک‌اکسپلور، یون‌های لیتیوم در طول فرآیند تخلیه، از آند به کاتد حرکت می‌کنند و در طول شارژ، در جهت مخالف به حرکت درمی‌آیند. هر دو الکترود براساس مواد فعالی ساخته شده‌اند که به طور مداوم با ورود و خروج یون‌های لیتیوم به تغییرات شیمیایی و ساختاری دچار می‌شوند.

از آنجا که بسیاری از مواد کاتد شکننده هستند، تنش مکانیکی که به مرور زمان روی آنها انباشته می‌شود، می‌تواند به ترک خوردن آنها منجر شود. این فرآیند، عملکرد باتری‌های لیتیوم-یون را کاهش می‌دهد و به از دست رفتن تدریجی ظرفیت انرژی آنها منجر می‌شود.

پژوهشگران «دانشگاه پلی‌تکنیک هنگ کنگ» (PolyU) و «دانشگاه علوم و فناوری هنگ کنگ» (HKUST) یک نانوپوشش محافظ طراحی کرده‌اند که می‌تواند تنش را به طور یکنواخت‌تری در کاتد‌ها توزیع کند و تشکیل ترک‌های ریز که عملکرد باتری را کاهش می‌دهند، به تأخیر بیندازد یا از آن جلوگیری کند. این پوشش جدید در اصل یک لایه پلیمری بسیار نازک و انعطاف‌پذیر است که تحت فشار مکانیکی تغییر شکل می‌دهد و سپس به سرعت شکل اولیه خود را بازیابی می‌کند.

«کیانگ لیو» (Qiang Liu) از پژوهشگران این پروژه گفت: دلیل اصلی انجام دادن این پژوهش، یک مشکل مداوم در مواد باتری پیشرفته بود که افت عملکرد اکسید‌های لایه‌ای غنی از نیکل است. این مواد، چگالی انرژی بالایی را برای باتری‌های لیتیوم-یون و نسل بعدی باتری‌های حالت جامد نوید می‌دهند، اما به دلیل ریزترک‌ها، به مرور زمان تخریب می‌شوند و عمر باتری را کاهش می‌دهند. ما در سال ۲۰۱۹ مقاله‌ای را در مجله «Nature Energy» منتشر کردیم که گزارش می‌داد یک پوشش پلیمری اعمال‌شده از طریق یک فرآیند لایه‌نشانی بخار شیمیایی می‌تواند ترک‌خوردگی را سرکوب کند، اما مکانیسم اساسی آن هنوز حل نشده است.

پس از این که لیو و همکارانش مقاله پیشین خود را منتشر کردند، برخی از پژوهشگران به بررسی این موضوع پرداختند که پوشش چگونه در مواد الکترود، فراتر از محافظت از سطوح عمل می‌کند و از بروز تخریب درون باتری‌ها جلوگیری می‌کند. این پرسش، لیو را بر آن داشت تا عمیق‌تر به عوامل مکانیکی مؤثر در تخریب مواد کاتدی شکننده بپردازد.

بیشتر مواد کاتدی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند، با ورود و خروج یون‌های لیتیوم منبسط و منقبض می‌شوند و این به ایجاد تنش داخلی در مرز‌هایی می‌انجامد که کریستال‌های یک ماده در آن به هم می‌رسند. این فرآیند به‌ویژه در اکسید‌های لایه‌ای غنی از نیکل که به طور گسترده برای ساخت الکترود‌های با ظرفیت بالا استفاده می‌شوند، برجسته‌تر است.

لیو و همکارانش یک لایه پلیمری بسیار نازک را روی ذرات ماده فعال کاتد اعمال کردند. این پوشش نازک به عنوان ضربه‌گیر عمل می‌کند، تنش را توزیع می‌کند و تغییر شکل را در ذرات کاتد تطبیق می‌دهد.

پژوهشگران روش خود را روی انواع گوناگونی از مواد کاتدی پرکاربرد از جمله اکسید‌های لایه‌ای حاوی مقادیر گوناگون نیکل و فسفات آهن لیتیوم آزمایش کردند. آنها دریافتند که پوشش اعمال‌شده با موفقیت تشکیل ترک را در این مواد کاهش و دوام آنها را افزایش می‌دهد.

لیو گفت: پوشش پلیمری ما به جای این که صرفاً مواد را تقویت کند، تنش مکانیکی را در طول ورود/استخراج لیتیوم پراکنده می‌کند و شروع ترک و پیشروی آن را کاهش می‌دهد.

این پژوهش در مجله «Nature Nanotechnology» به چاپ رسید.