نانوساختارهای جدیدی برای استفاده در باتری

[سمندون 19437]

بیش از یک دهه است که دانشمندان به‌دنبال بهبود باتری‌های مبتنی بر لیتیم هستند، برای این کار آنها به‌دنبال جایگزینی سیلیکون به‌جای گرافیت هستند که قادر است 10 برابر بیشتر بار را در خود ذخیره کند. اما بعد از چند بار شارژ و دشارژ شدن، ساختار سیلیکون ترک برداشته و موجب آسیب دیدن باتری می‌شوند. اخیرا یک تیم تحقیقاتی به رهبری یو چی از دانشگاه استنفورد راهی برای حل این مشکل یافته‌اند. راه حل آنها موجب شده تا بتوان باتری را تا 6000 بار شارژ و دشارژ کرد که این ویژگی موجب طولانی شدن عمر باتری و امکان استفاده آن در خودروها و ادوات الکترونیکی می‌شود.

به گزارش سرویس علم و فن آوری پایگاه اطلاع رسانی صبا به نقل از نانو، چو می‌گوید این یک پیشرفت بسیار جالب توجه در مسیر تولید باتری‌های سبک‌تر، کوچک‌تر با طول عمر بیشتر محسوب می‌شود. نتایج این تحقیق در نشریه Nature Nanotechnology به چاپ رسیده است.

باتری‌های یون لیتیم دارای محدوده کاربردی وسیعی هستند از آنها می‌توان در خودروها و ادوات الکترونیکی قابل حمل استفاده کرد. دلیل این امر امکان ذخیره‌سازی مقادیر زیادی انرژی در یک بسته کوچک است. در این نوع باتری‌ها، یون‌های لیتیم میان دو قطب مثبت و منفی حرکت کرده که با کنترل این حرکت، می‌توان جریان تولید کرد.

 

دلیل این که دانشمندان به‌دنبال استفاده از سیلیکون به‌جای گرافیت در این باتری هستند، از این حقیقت نشات می‌گیرد که یون‌های لیتیم در طول فرآیند شارژ شدن به آند می‌چسبد. در گرافیت هر یک یون لیتیم به شش اتم کربن می‌چسبد این در حالی است که در سیستمی که این گروه ارائه کرده چهار یون لیتیم می‌توانند به هر اتم سیلیکون بچسبند. با این کار مقدار ذخیره سازی انرژی در باتری‌های مبتنی بر سیلیکون بیشتر می‌شود.

 

این نوع باتری‌ها در اثر متورم شدن چهار برابر حجم اولیه خود را پیدا می‌کند. علاوه براین برخی از مواد موجود در الکترولیت با سیلیکون برهمکنش داده و سطح آن را می‌پوشانند در نتیجه مانع از باردار شدن بیشتر باتری می‌گردند. زمانی که لیتیم‌ها در طول فرآیند دشارژ شدن از آند خارج می‌شوند، آند چروکیده شده و به اندازه قبل خود برمی‌گردد که این کار موجب ایجاد ترک در سطح پوشش می شود با این کار سیلیکون تازه در معرض الکترولیت قرار می‌گیرد. فرآیند تورم و چروکیده شدن می تواند منجر به آسیب دیدن آند شود.

 

برای حل این مشکل پژوهشگران از نانو سیم‌ها و نانوذرات سیلیکون استفاده کردند، آنها در آخرین طراحی خود از نانولوله‌های سیلیکونی دولایه استفاده کردند که یک لایه اکسید سیلیکون روی آن قرار داده شده بود. این لایه‌ها از متورم شدن سیستم جلوگیری می‌کند، با این کار 85 درصد از ظرفیت باتری پس از 6000 بار شارژ/دشارژ باقی می‌ماند.