نوروز 96

ساخت باتری‌های قوی با نانوذرات آلومینیومی "زرده تخم‌مرغ"

دانشمندان دانشگاه ام‌آی‌تی و دانشگاه شینهوای چین شیوه‌ای را برای سه‌برابرکردن ظرفیت آندها یا الکترودهای منفی باتری‌های لیتیوم-یون ارائه داده‌اند.



به گزارش سرویس علمی ایسنا، این رویکرد عمر باتری را افزایش می‌دهد و امکان شارژ و تخلیه شارژ سریع‌تر را به باتری‌ها می‌دهد.

تولید الکترود جدید که از نانوذرات آلومینیومی/تیتانیومی "زرده و پوسته" استفاده می‌کند، آسان بوده و نویدبخش کاربردهای با نیروی بالاست.

باتری‌های لیتیوم-یونی در تلفن‌های همراه، تبلت‌ها و لپ‌تاپ‌ها وظیفه ذخیره انرژی را بر عهده دارند و یون‌های موجود در الکترودهای منفی ساخته‌شده از گرافیت را حمل می‌کنند.

مواد الکترودی دیگر از لحاظ نظری می‌توانند با ذخیره‌کردن انرژی بیشتر عملکرد بهتری داشته باشند اما آن‌ها نقطه‌ضعف‌های خاص خود را دارند. لیتیوم در مقایسه با گرافیت می‌تواند حدود 10 برابر انرژی بیشتری را در هر واحد وزن ذخیره کند، اما دارای مدار کوتاهی بوده و آتش می‌گیرد.

سیلیکون و قلع نیز بهتر از گرافیت عمل می‌کنند اما فقط در صورتی که باتری با سرعت کند شارژ شود و این امر در عمل مشکل‌آفرین است. بسیاری از مواد جایگزین با ظرفیت بالا همچنین در هر بار چرخه شارژ و با افزایش قابل‌توجه تعداد یون‌های لیتیوم که به الکترودها وارد و از آن‌ها خارج می‌شوند، منبسط و منقبض می‌شوند.

تیم علمی به رهبری پروفسور «جو لی» از دانشگاه ام‌آی‌تی، شیوه جدیدی را برای حل این مشکل ارائه داده‌اند. آن‌ها نانوذراتی تولید کرده‌اند که دارای پوسته خارجی تیتانیومی جامد و نوعی "زرده" آلومینیومی داخلی هستند که می‌تواند به آسانی در داخل پوسته منقبض و منبسط شود و یون‌ها را بدون آسیب‌رساندن به ساختار الکترود ذخیره و آزاد کند؛ این موضوع به ساخت باتری‌های با ظرفیت بالا و با ماندگاری بیشتری می‌انجامد.

آلومینیوم ماده‌ای ارزان است که مانند لیتیوم یا سیلیکون می‌تواند انرژی بسیار بیشتری را در هر واحد وزن در مقایسه با گرافیت معمولی ذخیره کند. با این حال، این ماده اغلب انتخاب خوبی برای ساخت باتری‌های لیتیم-یون به شمار نمی‌آید، زیرا انبساط و انقباض مکرر در داخل الکترود موجب می‌شود ذرات آلومینیوم لایه‌ بیرونی‌شان را از دست دهند. با این حال، قراردادن ذرات آلومینیوم در داخل یک پوسته دی‌اکسید تیتانیوم از پوست‌اندازی بیشتر جلوگیری کرده و عمر باتری را افزایش می‌دهد.

برای تولید این نانوسازه‌ها، محققان ذرات آلومینیوم با قطر 50 نانومتر را در محلولی از اسید سولفوریک و تیتانیوم اکسی‌سولفات قرار دادند. چنین فرآیندی نانوذرات را در یک پوسته سخت با ضخامت سه تا چهار نانومتری پوشاند.

پس از چندین ساعت حضور در اسید، قطر ذرات آلومینیومی به حدود 30 نانومتر کاهش یافت، در حالی که پوسته خارجی بدون‌ تغییر باقی ماند. این موضوع به نانوذرات آلومینیومی، فضای کافی برای جمع‌آوری یون‌های لیتیوم و انبساط موردنیاز را بدون واردآمدن آسیب به تماس‌های الکتریکی سلول باتری فراهم کرد.

در آزمایش‌های انجام‌شده مشخص شد پوسته‌های خارجی پس از 500 چرخه شارژ اندکی ضخیم‌تر شدند اما ذرات آلومینیومی حتی در سرعت‌های شارژ بسیار بالا آسیبی ندیدند.

در حالی که گرافیت استاندارد می‌تواند تقریبا 0.35 آمپر ساعت در هر گرم انرژی ذخیره کند، الکترود جدید قادر است سه برابر انرژی بیشتری را در سرعت شارژ عادی و در هر واحد جرم ذخیره کند. حتی در سرعت‌های شارژ بسیار بالا، ظرفیت 0.66 آمپرساعت در گرم برای الکترود جدید گزارش شد که دو برابر میزان عادی به نظر می‌رسد.

بهای پایین آلومینیوم همراه با شیوه تولید آسان و قابل مقیاس‌بندی آن، نویدبخش کاربردهای زیادی است. «جو لی» و همکارانش مدعی‌اند با موفقیت آزمایشات لازم برای سلول‌های کامل را انجام داده‌اند؛ آن‌ها این باتری‌ها را با استفاده از لیتیوم آهن فسفات برای الکترود مثبت ساخته‌اند.

زمانی که این فناوری آماده کاربرد در دنیای واقعی شود، می‌تواند منجر به ساخت باتری‌هایی شود که بادوام‌ترند و در مقایسه با باتری‌های حاضر سرعت شارژ بالایی دارند و انرژی بیشتری ذخیره می‌کنند.

جزئیات این دستاورد علمی در مجله Nature Communications ارائه شد.

منبع :