یافته‌های اخیر محققان نشان می‌دهد که با استفاده از یک کامپوزیت جدید گرافنی می‌توان باتری‌های لیتیوم یونی با دانسیته انرژی بالاتر را برای کاربرد‌های انرژی‌های تجدیدپذیر تولید کرد.
به گزارش گروه فناوری خبرگزاری دانشجو، باتری‌های لیتیوم یون (LIBs) که به عنوان منبع تولید جریان با کارایی بالا برای کاربرد‌های تجدیدپذیر مانند وسایل نقلیه الکتریکی و لوازم الکترونیکی مصرفی استفاده می‌شوند، به الکترود‌هایی نیاز دارند که دانسته انرژی بالایی را بدون ایجاد خطر در طول عمر باتری ارائه دهند.
به تازگی مقاله‌ای در نشریه Vacuum Science and Technology A به چاپ رسیده است که در آن محققان منشاء زوال مواد کاتدی باتری‌های لیتیوم یون با دانسیته انرژی بالا را بررسی کرده و راهبرد‌هایی برای کاهش آن ارائه کردند. در این پروژه محققان سازوکار‌هایی برای کاهش تخریب کاتد و بهبود عملکرد باتری‌های لیتیوم یون ارائه کردند.
تحقیقات این گروه می‌تواند برای بسیاری از کاربرد‌های در حال ظهور، به ویژه وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره انرژی در سطح شبکه برای منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند باد و خورشید ارزشمند باشد.
مارک هرسام نویسنده این پروژه گفت: «بیشتر سازو کار‌های تخریب در باتری‌های لیتیوم یون در سطوحی از الکترود رخ می‌دهد که با الکترولیت در تماس هستند. ما به دنبال درک شیمی در این سطوح و سپس ارائه راهبرد‌هایی برای به حداقل رساندن تخریب هستیم.»
پژوهشگران از تعیین مشخصات شیمیایی سطح به عنوان راهبردی برای شناسایی و به حداقل رساندن ناخالصی‌های هیدروکسید و کربنات باقیمانده از سنتز نانوذرات NCA (نیکل، کبالت، آلومینیوم) استفاده کردند. آن‌ها دریافتند که ابتدا سطح کاتد باتری‌های لیتیوم یون لازم است تا با بازپخت (آنیلینگ) مناسب آماده‌سازی شود، فرآیندی که نانوذرات کاتدی گرم می‌شوند تا ناخالصی‌های سطح از بین برود. در ادامه با یک پوشش گرافن نازک اتمی روی ساختار‌های مورد نظر تثبیت می‌شود.
این نانوذرات NCA با روکش گرافن که در کاتد‌های باتری‌های لیتیوم یون قرار داده شده‌اند، ویژگی‌های الکتروشیمیایی فوق‌العاده‌ای از جمله مقاومت کم، نرخ عملکرد بالا، انرژی حجمی و دانسیته توان بالا و طول عمر شارژ/دشارژ طولانی از خود نشان می‌دهند. همچنین پوشش گرافن به عنوان سدی بین سطح الکترود و الکترولیت عمل می‌کند که باعث بهبود بیشتر طول باتری لیتیوم یون می‌شود.
هر چند این فناوری برای کاتد‌های باتری‌های لیتیوم یون غنی از نیکل طراحی شده است، اما آن را می‌توان به سایر الکترود‌های ذخیره‌کننده انرژی، مانند باتری‌های یون سدیم یا یون منیزیم، که دارای مواد نانوساختار دارای سطح بالا هستند، تعمیم داد.
به تازگی مقاله‌ای در نشریه Vacuum Science and Technology A به چاپ رسیده است که در آن محققان منشاء زوال مواد کاتدی باتری‌های لیتیوم یون با دانسیته انرژی بالا را بررسی کرده و راهبرد‌هایی برای کاهش آن ارائه کردند. در این پروژه محققان سازوکار‌هایی برای کاهش تخریب کاتد و بهبود عملکرد باتری‌های لیتیوم یون ارائه کردند.
تحقیقات این گروه می‌تواند برای بسیاری از کاربرد‌های در حال ظهور، به ویژه وسایل نقلیه الکتریکی و ذخیره انرژی در سطح شبکه برای منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند باد و خورشید ارزشمند باشد.
مارک هرسام نویسنده این پروژه گفت: «بیشتر سازو کار‌های تخریب در باتری‌های لیتیوم یون در سطوحی از الکترود رخ می‌دهد که با الکترولیت در تماس هستند. ما به دنبال درک شیمی در این سطوح و سپس ارائه راهبرد‌هایی برای به حداقل رساندن تخریب هستیم.»
پژوهشگران از تعیین مشخصات شیمیایی سطح به عنوان راهبردی برای شناسایی و به حداقل رساندن ناخالصی‌های هیدروکسید و کربنات باقیمانده از سنتز نانوذرات NCA (نیکل، کبالت، آلومینیوم) استفاده کردند. آن‌ها دریافتند که ابتدا سطح کاتد باتری‌های لیتیوم یون لازم است تا با بازپخت (آنیلینگ) مناسب آماده‌سازی شود، فرآیندی که نانوذرات کاتدی گرم می‌شوند تا ناخالصی‌های سطح از بین برود. در ادامه با یک پوشش گرافن نازک اتمی روی ساختار‌های مورد نظر تثبیت می‌شود.
این نانوذرات NCA با روکش گرافن که در کاتد‌های باتری‌های لیتیوم یون قرار داده شده‌اند، ویژگی‌های الکتروشیمیایی فوق‌العاده‌ای از جمله مقاومت کم، نرخ عملکرد بالا، انرژی حجمی و دانسیته توان بالا و طول عمر شارژ/دشارژ طولانی از خود نشان می‌دهند. همچنین پوشش گرافن به عنوان سدی بین سطح الکترود و الکترولیت عمل می‌کند که باعث بهبود بیشتر طول باتری لیتیوم یون می‌شود.
هر چند این فناوری برای کاتد‌های باتری‌های لیتیوم یون غنی از نیکل طراحی شده است، اما آن را می‌توان به سایر الکترود‌های ذخیره‌کننده انرژی، مانند باتری‌های یون سدیم یا یون منیزیم، که دارای مواد نانوساختار دارای سطح بالا هستند، تعمیم داد.