انقلابی در فناوری باتری‌ها؛

دانشمندان نانوساختار گنبدی شکل برای ارتقای عمر و عملکرد باتری ارائه کردند

پژوهشگران موسسه علوم و فناوری اوکیناوا (OIST) نانوساختاری گنبدی شکل را شناسایی کرده است که باعث بهبود آند در باتری‌های یون لیتیوم می‌شود.

کد خبر: ۹۱۳۸۶۱

شنبه - ۰۲ اسفند ۱۳۹۹ / February 20, 2021

به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، باتری‌های لیتیوم یون قدرتمند، قابل حمل و قابل شارژ از اجزای مهم فناوری مدرن هستند که در تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها و وسایل نقلیه الکتریکی یافت می‌شوند. معمولا گرافیت برای آند یک باتری لیتیوم یون استفاده می‌شود، اما این ماده کربنی محدودیت‌های متعددی دارد.

مارتا هارو از محققان این پروژه می‌گوید: «هنگام شارژ شدن باتری، یون‌های لیتیوم مجبور می‌شوند از یک سمت باتری یعنی کاتد، از طریق محلول الکترولیت، به سمت دیگر باتری یعنی آند حرکت کنند. سپس، هنگامی که از یک باتری استفاده می‌شود، یون‌های لیتیوم دوباره به داخل کاتد باز می‌گردند و جریان الکتریکی از باتری آزاد می‌شود. اما در آندهای گرافیت، شش اتم کربن برای ذخیره یک یون لیتیوم مورد نیاز است؛ بنابراین، دانسیته انرژی این باتری‌ها کم است.»

محققان در حال جستجوی مواد جدیدی هستند که بتواند تعداد یون‌های لیتیوم ذخیره شده در آند را افزایش دهد. یکی از امیدوار کننده‌ترین گزینه‌ها سیلیسیم است که می‌تواند به هر اتم‌ سیلیکون چهار یون لیتیوم متصل کند.

هارو می‌گوید: «آندهای سیلیکون می‌توانند ده برابر بار بیشتری نسبت به آندهای گرافیت ذخیره کنند، از نظر تراکم انرژی، این مقدار قابل توجه است. مسئله این است که با حرکت یون‌های لیتیوم به درون آند، تغییر حجم بسیار زیادی تا حدود ۴۰۰ درصد ایجاد می‌شود که باعث شکستگی الکترود می‌شود.»

گراماتیکوپولوس می‌گوید: «هدف ما تلاش برای ایجاد یک آند قوی‌تر بود که بتواند در برابر تنش‌های حاصل از تغییر حجم مقاومت کند، تا بتواند لیتیوم را تا آنجا که ممکن است جذب کند و عمر طولانی داشته باشد. روشی که ما در پیش گرفتیم ساخت سازه‌ای با استفاده از نانوذرات بود.»

آن‌ها به جای استفاده از گرافیت برای آند، به سیلیکون روی آوردند، ماده‌ای که بار بیشتری را در خود ذخیره می‌کند اما شکننده است.این تیم با لایه‌نشانی اتم‌های سیلیسیم روی نانوذرات فلزی، آند سیلیکونی ساختند. نانوساختار حاصل قوس‌هایی را ایجاد می‌کند که باعث افزایش مقاومت و یکپارچگی ساختاری آند می‌شود. آزمایش‌های الکتروشیمیایی نشان داد که باتری‌های یون لیتیوم با آندهای سیلیکون بهبود یافته ظرفیت شارژ بالاتر و طول عمر بیشتری دارند.

از طریق تصویربرداری میکروسکوپی و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری در سطح اتمی، محققان نشان دادند که وقتی اتم‌های سیلیسیم روی لایه نانوذرات رسوب می‌کنند، یک فیلم یکنواخت ایجاد نمی‌کنند. در عوض آنها ستون‌هایی به شکل مخروط‌های معکوس تشکیل می‌دهند، با رسوب بیشتر اتم‌های سیلیکون، این ستون‌ها گسترده‌تر می‌شوند. در نهایت، ستون‌های سیلیکونی منفرد به هم متصل می‌شوند و یک ساختار طاقی و قوسی را تشکیل می‌دهند. این ساختار طاقدار محکم است، درست مانند یک گنبد در یک معماری سنتی که همین موضوع موجب استحکام بالای سازه می‌شود.»

پژوهشگران دریافتند که افزایش مقاومت سازه با افزایش عملکرد باتری نیز همراه است. وقتی دانشمندان آزمایش‌های الکتروشیمیایی را انجام دادند، دریافتند که باتری لیتیوم یون ظرفیت شارژ بیشتری دارد. لایه محافظ نیز پایدارتر بود، به این معنی که باتری می‌تواند چرخه شارژ بیشتری را تحمل کند.