افزایش کارایی باتری‌های لیتیومی با فناوری نانو

به گزارش ایران اکونومیست به نقل  از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو ریاست جمهوری، باتری‌های لیتیومی یک خانواده از باتری‌های قابل شارژ هستند که تقریباً انرژی قابل‌دسترسی بالغ‌بر دو برابر باتری‌های نسل قبل در اختیار قرار می‌دهند. این در حالی است که آن‌ها 3 تا 5 برابر سبک‌تر هستند و طول عمرشان نیز به میزان 300 تا 500 چرخه شارژ/تخلیه است. هم‌اکنون این باتری‌ها در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی قابل‌حمل از قبیل تلفن همراه، لپ‌تاپ‌ها و سیستم‌های مخابراتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سید محمد جعفری پژوهشگر دانشگاه اصفهان، با بیان معایب باتری‌های لیتیومی رایج، در خصوص اهداف دنبال شده در این طرح گفت:‌ یکی از اصلی‌ترین معایب الکترود باتری‌های لیتیومی، اثر افت کارایی است. کربن‌های گرافیتی مورد استفاده در باتری‌های امروزی پس از مدتی پوسته‌ پوسته می‌شوند و سپس باتری به‌کلی از کار می‌افتد. در این طرح سعی شده با بازطراحی آند و ایجاد تغییرات نانویی در ساختار آن‌ها، علاوه بر افزایش عمر و گستره دمایی کارکرد باتری، عملکرد آن نیز ارتقا بخشیده شود.
وی افزود: اصلاحات صورت گرفته بر روی الکترود آند باتری موجب افزایش عمر باتری و سرعت شارژ آن می شود. از سوی دیگر، یکی از معایب بزرگ باتری‌های لیتیومی، هزینه‌ بالای ساخت آن‌هاست که بخش اعظمی از آن مربوط به هزینه‌ ساخت الکترود است. در این پژوهش، از مواد و روش‌هایی استفاده شده است که هزینه‌ ساخت آند را به‌صورت چشمگیری کاهش می‌دهند.
مواد سنتز شده در این طرح دارای شکل هندسی کروی بوده و از دسته مواد نانومتخلخل هستند که علاوه بر استفاده در باتری‌های لیتیومی، پتانسیل بالایی در کاربردهای دیگری نظیر کاتالیست ها، حسگرها و غشاها دارند. مواد نانومتخلخل دارای حفراتی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد.
در طرح حاضر، میکروذرات کروی نانومتخلخل از جنس کربن سخت با بهره‌گیری از ترکیبی از روش میکروامولسیون و پلیمریزاسیون سنتز شده است. بدین منظور از رزین فنولیک به‌عنوان پیش ماده و از اتانول و اتیلن گلیکول به ترتیب به‌عنوان حلال و قالب نرم استفاده شده و پس از آن فرایند کربنیزه کردن انجام شده است. استفاده از مقادیر متفاوت اتیلن گلیکول، منجر به تولید نانوذرات دارای نانوتخلخل و ساختار کریستالی متفاوت، حجم حفره‌ متفاوت، سطح مؤثر متفاوت و مهمتر از همه ظرفیت متفاوت برای ذخیره‌ یون لیتیوم شده است. نمونه‌های سنتز شده با استفاده از انواع آزمون‌های الکتروشیمیایی و فیزیکی مورد ارزیابی قرار گرفته و شرایط بهینه‌ ساختاری تعیین شده‌است.
گفتنی است از این طرح یک اختراع با عنوان «کربن سخت مزومتخلخل میکرودانه به‌عنوان ماده‌ی فعال آندی باتری یون لیتیوم» به شماره 89477 ثبت شده است. این اختراع، عنوان اختراع برگزیده را در جشنواره‌ اختراعات بنیاد ملی نخبگان در سال 1395 از آن خود کرده است.
این تحقیقات حاصل تلاش‌های سید محمد جعفری - دانشجوی مقطع دکترای دانشگاه زنجان- و دکتر محسن خسروی- عضو هیأت علمی دانشگاه اصفهان- است. نتایج این کار در مجله‌ Electrochimica Acta با ضریب تأثیر 4.798 (جلد 203، سال 2016، صفحات 9 تا 20) منتشر شده است.