پژوهشگران دانشگاه امیرکبیر موفق شدند:

بهبود عملکرد باتری‌های یون لیتیوم با نانوساختارهای جدید

پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر در تحقیقات خود موفق به سنتز نانوساختارهای جدیدی شدند که در ساخت باتری‌های یون لیتیوم قابل کاربرد خواهد بود. این نانوساختار با وجود افزایش ظرفیت باتری‌ها و روش ساخت ساده، فاقد خطرهای زیست محیطی است.

کد خبر: ۱۱۹۲۹۵۳

تاریخ: ۱۴ ارديبهشت ۱۳۹۴ - ۰۸:۲۱

به گزارش خبرگزاری دانا، امروزه باتری‌های یون لیتیوم کاربردهای بسیار گسترده‌ای در توسعه‌ خودروهای برقی و هیبریدی، انرژی‌های تجدیدپذیر، صنایع الکتریکی و الکترونیکی و سفینه‌های فضایی دارند. در برخی از کشورها، مردم از این نوع باتری‌ها که طول عمری بالاتر از 20 سال دارند، برای ذخیره سازی برق حاصل از انرژی خورشیدی و بادی استفاده می‌کنند. به همین منظور سرمایه‌گذاری‌های بزرگی در زمینه‌ توسعه و تولید باتری‌های یون لیتیوم صورت گرفته است.

به گفته‌ دکتر مهران جوان‌بخت از مجریان این طرح، لیتیوم آهن فسفات، کاتدی بسیار ارزان، بدون سمیت و دارای خواص الکتروشیمیایی مناسبی است. با این حال، این ترکیب دارای دو عیب اصلی و ذاتی، یعنی پایین بودن هدایت یونی و الکترونی است. لذا در این تحقیق، بهبود این دو ویژگی مورد نظر قرار گرفته است.

جوان‌بخت در ادامه عنوان کرد: «برای دستیابی به این هدف، در این طرح نانوذرات لیتیوم آهن فسفات با ریخت (مورفولوژی) پاپیونی برای اولین بار در دنیا تهیه شد. این نانوساختار پاپیونی دارای پوشش نانوکربنی است و برای ساخت کاتد موجود در باتری یون لیتیوم مورد استفاده و بررسی قرار گرفته است.»

روش سنتز مورد استفاده ساده و با حلال‌های ارزان قیمت و در دسترس صورت گرفته است. این ترکیب نسبت به سایر ترکیبات کاتدی که بر پایه‌ کبالت و یا نیکل هستند، سمیت و خطر زیست‌محیطی ندارد.

بر اساس نتایج به دست آمده، نانوساختار ایجاد شده موجب کوتاه شدن مسیر نفوذ یون لیتیوم و در نتیجه افزایش هدایت یونی و سرعت شارژ و تخلیه‌ شارژ(دشارژ) باتری می‌شود. از طرفی نانوپوشش‌های کربنی ایجاد شده بر روی ذرات، افزایش هدایت الکتریکی این ماده را در پی داشته است. با بهبودهای انجام شده در این ترکیب، ظرفیت ارائه شده توسط باتری نسبت به نمونه‌ مقایسه‌ای حدود 110 درصد افزایش نشان داده است.

این محقق نحوه‌ ساخت و بررسی عملکرد کاتد مدنظر را بدین شرح توضیح داد: «در این پروژه، ماده‌ مورد نظر در سه محیط با حلال‌های مختلف تهیه و اثر این حلال‌ها بر نانوساختار نمونه‌های به دست آمده، مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. سپس شرایط بهینه‌ ساخت نانوساختارهای موردنظر به دست آمده و بررسی‌های الکتروشیمیایی و میکروسکوپی روی نمونه‌ها انجام شد. در ادامه از نمونه‌ها یک کاتد تهیه و برای ساخت باتری لیتیوم یون مورد استفاده قرار گرفت. باتری‌های طراحی و ساخته شده از لحاظ ظرفیت، سرعت شارژ و دشارژ، طول عمر و ... مورد مطالعه قرار گرفتند.»

نانوساختارهای تهیه شده‌، حاصل خودآرایش یافتگی نانوصفحات لیتیوم آهن فسفات است. این نانوساختارها رفتار الکتروشیمیایی بسیار جالبی دارند و در کنار مزیت‌های ایجاد شده از قبیل افزایش سطح ویژه، افزودن سطح تماس ماده‌ی کاتدی با الکترولیت، کاهش مسیر نفوذ یون لیتیوم را نیز فراهم می‌کنند. لذا این باتری‌ها در مقایسه با نمونه‌های مشابه در دنیا سرعت تخلیه‌ شارژ بالاتری دارند. همچنین با کمک طیف امپدانس الکتروشیمیایی، مشخص گردیده که ایجاد نانوپوشش کربنی نیز باعث کاهش 75 درصدی مقاومت انتقال بار و کاهش چشمگیر مقاومت انتقال جرم در آن شده است.

جوان‌بخت در پایان با اشاره به اینکه درحال حاضر این ماده از کشور چین به ایران وارد می‌شود، افزود: «امید است با دستیابی به دانش فنی تولید این ماده، کشور از واردات آن بی نیاز شده و امکان اشتغال‌زایی برای نیروهای انسانی متخصص و فارغ التحصیلان رشته‌های مربوطه فراهم شود.»

این تحقیقات با همکاری دکتر مهران جوان‌بخت، عضو هیأت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، حسین غفاریان زحمتکش، دانشجوی کارشناسی ارشد شیمی تجزیه این دانشگاه و دکتر مهدی قائمی، عضو هیأت علمی دانشگاه گرگان، انجام شده و نتایج آن در مجله‌ Journal of Power Sources (جلد 284، شماره 1، سال 2015، صفحات 339 تا 348) به چاپ رسیده است.