پژوهشی که در دانشگاه صنعتی امیرکبیر انجام شده، مسیر تازهای را برای ساخت کاتدهای پرقدرت و کمهزینه باتریهای لیتیومیونی گشوده است. در این طرح، با افزودن همزمان قلع و گرافن نیتروژندار به ماده کاتدی سیلیکات آهن، ظرفیت و پایداری باتری بهمیزان قابل توجهی افزایش یافته است.
به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، صبا زمردی، دانشآموخته دکتری این دانشگاه با راهنمایی پیروز مرعشی و زهرا صادقیان، دو عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر و پژوهشگاه صنعت نفت، طرحی با عنوان «بررسی تأثیر دوپینگ قلع (Sn⁴⁺) در نانوکامپوزیت Li₂FeSiO₄/گرافن دوپشده با نیتروژن بر خواص الکتروشیمیایی باتریهای لیتیوم-یون» را اجرا کرده است.
چرا کاتد باتری اهمیت دارد؟
باتریهای لیتیومیونی امروز قلب تپنده خودروهای برقی، دستگاههای الکترونیکی و سامانههای ذخیره انرژی به شمار میروند؛ با این حال، ظرفیت محدود و ناپایداری ساختار کاتد در چرخههای شارژ و دشارژ، یکی از چالشهای اصلی این فناوری باقی مانده است.
ماده پایه سیلیکات آهن (LFS) به دلیل پایداری بالا و قیمت پایین فلزهای بهکاررفته در آن، گزینهای جذاب برای کاتد محسوب میشود، اما رسانایی الکتریکی و یونی اندک آن، عملکردش را محدود میکند. هدف پژوهشگران این طرح نیز رفع همین محدودیت بوده است؛ آنها تلاش کردند با اصلاح ساختار کاتد، هم ظرفیت باتری را افزایش دهند و هم پایداری آن را در دفعات متوالی شارژ و دشارژ بهبود ببخشند.
راهکار دوگانه؛ قلع و گرافن نیتروژندار
راهکار این پژوهش، بهرهگیری همزمان از دو عامل بهبوددهنده بوده است: دوپینگ قلع در ساختار کریستالی ماده کاتدی و ترکیب آن با گرافن دوپشده با نیتروژن. این دو عامل بهصورت همافزا عمل میکنند و نتیجه آن، افزایش رسانایی الکتریکی و تسهیل حرکت یونهای لیتیوم درون کاتد است.
به گفته مجری طرح، تازگی این کار دقیقاً در استفاده همزمان از دو بهبوددهنده و بهرهگیری از اثر همافزایی آنها بر عملکرد کاتد نهفته است؛ ویژگیای که نمونههای مشابه کمتر آن را دارا هستند.
روش اجرای طرح
فرآیند ساخت ماده کاتدی با روش ساده و سریع حالت جامد آغاز شد؛ در این مرحله ماده فعال کاتدی از ترکیبات اولیه شامل نمک لیتیوم و ترکیبات آهن سنتز شد و دوپاند قلع در جایگاه مهندسیشده ساختار قرار گرفت. سپس نانوکامپوزیت بهدستآمده با گرافن دوپشده با نیتروژن ترکیب شد تا ساختار رسانای یونی و الکترونی اصلاحشده ایجاد شود.
نمونههای ساختهشده با دستگاههای مشخصهیابی دقیق مانند XRD، SEM، FTIR، XPS و Raman و نیز آزمونهای الکتروشیمیایی شامل CV، EIS و چرخهپذیری در صد چرخه شارژ و دشارژ مورد بررسی قرار گرفتند تا تغییرات ساختاری و عملکردی ارزیابی شود.
دشوارترین بخش این پروژه، کنترل دقیق فرآیند دوپینگ و جلوگیری از تشکیل فازهای ناخواسته در ساختار LFS بود؛ کاری که نیازمند تنظیم دقیق دما و زمان و ایجاد روش تولید اصلاحشده با ترکیب متفاوت مواد اولیه بود تا بالاترین خلوص و بهترین خواص الکتروشیمیایی به دست آید.
نتایج و مزیتهای طرح
یافتههای این پژوهش نشان میدهد ظرفیت و پایداری چرخهای کاتد LFS بهصورت چشمگیری افزایش یافته است. رسانایی الکتریکی و یونی بهبود یافته، ظرفیت ویژه بالا نزدیک به مقدار تئوری، پایداری چرخهای ممتاز و ایمنی حرارتی مناسب از جمله نتایج برجسته این کار است.
- استفاده از روشهای سنتز کمهزینه، سریع و قابل توسعه صنعتی
- ارتقای راندمان باتری بدون نیاز به فلزات گرانقیمت
- قابلیت تولید بومی با مواد اولیه داخلی و فراوان در طبیعت
- بهبود چشمگیر ظرفیت و پایداری نسبت به نمونههای مرجع
- سازگاری با محیط زیست و سادگی و سرعت در تولید ماده اولیه کاتدی
زمینههای کاربرد و آینده طرح
نتایج این تحقیق در صنعت تولید باتریهای لیتیومیونی کاربرد دارد و بهویژه میتواند در خودروهای برقی و هیبریدی، سامانههای ذخیره انرژی خورشیدی و بادی، تجهیزات الکترونیکی قابل شارژ، پاوربانکها و ابزارهای صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.
به گفته زمردی، این طرح میتواند مسیر ساخت کاتدهای بومی با عملکرد بالا را هموار کند و در آینده به تجاریسازی باتریهای لیتیومیونی ایرانی با هزینه کمتر، کارایی بالاتر و تولید آسانتر کمک کند. بخشی از این تحقیق در قالب مقالهای با عنوان «Synergistic enhancement of Li₂FeSiO₄ cathode material via Sn(IV) and nitrogen-doped rGO co-doping strategy for lithium-ion batteries» به ژورنال Springer ارسال شده است.
دیگر دستاوردهای این پروژه نیز در ژورنال AUT Journal of mechanical engineering و نخستین کنفرانس بینالمللی باتریهای یون لیتیوم (LBC 2024) در قالب سخنرانی اطلاعرسانی شده و مقالههای دیگری درباره هنر مهندسی اصلاح ساختار این نانوکامپوزیت در دست ارسال قرار دارد.
نظرات (0)