افزایش کارایی باتری‌های لیتیومی با فناوری نانو

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، باتری‌های لیتیومی یک خانواده از باتری‌های قابل شارژ هستند که تقریباً انرژی قابل‌دسترسی بالغ‌بر 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، مجری طرح با بیان اینکه یکی از اصلی‌ترین معایب الکترود باتری‌های لیتیومی، اثر افت کارایی است، گفت:‌ 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، هزینه‌ی بالای ساخت آن‌هاست که بخش اعظمی از آن مربوط به هزینه‌ی ساخت الکترود است. در این پژوهش، از مواد و روش‌هایی استفاده شده است که هزینه‌ی ساخت آند را به‌صورت چشمگیری کاهش می‌دهند.

جعفری خاطر نشان 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.

وی ادامه داد: 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.

جعفری با بیان اینکه از سوی دیگر حضور ماکروحفرات موجب می‌شود تا سطح مؤثر کاهش یافته و ظرفیت نیز متعاقب آن افت کند، خاطر نشان کرد: پس باید یک شرایط بینابین ایجاد شود تا هم سرعت شارژ و هم ظرفیت باتری در حد مطلوب باشد.

وی افزود: 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.

وی عنوان 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.

به گفته این محقق، استفاده از مقادیر متفاوت اتیلن گلیکول، منجر به تولید نانوذرات دارای نانوتخلخل و ساختار کریستالی متفاوت، حجم حفره‌ی متفاوت، سطح مؤثر متفاوت و مهم‌تر از همه ظرفیت متفاوت برای ذخیره‌ی یون لیتیوم شده است. نمونه‌های سنتز شده با استفاده از انواع آزمون‌های الکتروشیمیایی و فیزیکی مورد ارزیابی قرار گرفته و شرایط بهینه‌ی ساختاری تعیین شده‌است.

وی افزود: از این طرح یک اختراع با عنوان «کربن سخت مزومتخلخل میکرودانه به‌عنوان ماده‌ی فعال آندی باتری یون لیتیوم» به شماره ۸۹۴۷۷ ثبت شده است. این اختراع، عنوان اختراع برگزیده را در جشنواره‌ی اختراعات بنیاد ملی نخبگان در سال ۱۳۹۵ از آن خود کرده است.

این تحقیقات حاصل تلاش‌های سید محمد جعفری دانشجوی مقطع دکترای دانشگاه زنجان و دکتر محسن خسروی عضو هیأت علمی دانشگاه اصفهان است. نتایج این کار در مجله‌ Electrochimica Acta با ضریب تأثیر ۴.۷۹۸ (جلد ۲۰۳، سال ۲۰۱۶، صفحات ۹ تا ۲۰) منتشر شده است.