راهکار پژوهشگران دانشگاه تهران برای بهبود عملکرد باتری‌های لیتیوم-یونی

به گزارش روز دوشنبه گروه علمی ایران اکونومیست از دانشگاه تهران، نتایج پژوهشی که به سرپرستی مجتبی حقیقی یزدی، عضو هیأت علمی دانشکده مهندسی مکانیک دانشکدگان فنی دانشگاه تهران و با همکاری پویا گرجی، دانشجوی کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک دانشگاه تهران و مارال قهرمانی، عضو هیأت علمی دانشگاه تربیت مدرس انجام شده، نشان می‌دهد استفاده از موادی از جمله بایندر (رزین یا پلیمر) پلی‌یورتان (Polyurethane) و جمع‌کننده‌های جریان فیبر کربنی در الکترودهای LiFePO₄ باتری‌های لیتیوم-یونی، می‌تواند به ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی، پایداری چرخه‌ای و کارایی کلی این باتری‌ها کمک کند.

حقیقی یزدی درباره کارایی باتری‌های لیتیوم-یونی گفت: باتری‌های لیتیوم-یونی به دلیل مزایایی نظیر چگالی انرژی بالا، عمر طولانی و کارایی مناسب، نقشی کلیدی در تأمین انرژی ابزارهای الکترونیکی و خودروهای الکتریکی ایفا می‌کنند. اما این باتری‎‌ها دچار چالش‌هایی چون کاهش ظرفیت در طول زمان و پایداری ضعیف در شرایط دمایی مختلف هستند. در مطالعه اخیر تلاش شد با ارائه راهکاری نوین، این چالش‌ها تا حدودی رفع شود.

وی در خصوص نحوه انجام این پژوهش گفت: در این پژوهش، از بایندرهای مختلف به عنوان جایگزین بایندرهای سنتی استفاده شده است. بایندرها به عنوان چسباننده‌های اجزای الکترود، نقش مهمی در استحکام مکانیکی و کارایی الکتروشیمیایی ایفا می‌کنند. این بایندرها با کاهش غلظت قطبیت (Concentration Polarization) مسیرهای همواری را برای انتقال یون لیتیوم درون الکترود فراهم می‌کنند. همچنین با انعطاف‌پذیری بالا و مقاومت شیمیایی و مکانیکی قابل توجه از تخریب ساختار کاتدها و جدا شدن مواد فعال الکترودی از سطح جمع‌کننده‌های جریان ناشی از نوسانات حجمی الکترودها که عمدتاً در اثر ورود و خروج مکرر یون‌ها در چرخه‌های شارژ و دشارژ رخ می‌دهد، می‌توانند عملکرد بهتری نسبت به بایندرهای رایج داشته باشند.

حقیقی افزود: از سوی دیگر، در این مطالعه جمع‌کننده جریان فیبر کربنی جایگزین مواد سنتی مانند آلومینیوم و مس شده است. این ماده به دلیل سبکی، مقاومت در برابر خوردگی و رسانایی بالا و همچنین امکان ذخیره انرژی به دلیل ساختار کربنی، نقش مهمی در کاهش وزن باتری و افزایش کارایی آن ایفا می‌کند. ترکیب هم‌زمان این دو نوآوری باعث شده است که عملکرد الکتروشیمیایی و مکانیکی الکترودهای LiFePO₄ به طور قابل توجهی بهبود یابد.

وی اظهار داشت: آزمایش‌های انجام شده در این پژوهش نشان داده‌اند استفاده از بایندرهای PU و PVDF-HFP-g-PSSA و جمع‌کننده‌های جریان فیبر کربنی، ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی و تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ باتری را به طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد. این ترکیب نوین باعث افزایش طول عمر باتری و بهبود پایداری مکانیکی آن در ابعاد ماکرو و میکرو می‌شود. استفاده از این مواد در باتری لیتیوم-یونی، هزینه‌های تولید این باتری را نیز کاهش می‌دهد.

حقیقی تأکید کرد: این یافته‌ها می‌توانند در ساخت تجهیزات مختلفی از جمله خودروی الکتریکی، هواپیما، ماهواره، سامانه ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ و ابزارهای الکترونیکی پیشرفته مورد استفاده قرار گیرند. کاهش وزن باتری، افزایش کارایی و بهبود پایداری چرخه‌ای از جمله مزایای کلیدی این دستاوردها محسوب می‌شوند.

مقالات منتج از این پژوهش در نشریه ذخیره انرژی Journal of Energy Storage و انرژی مقرون‌به‌صرفه ACS Applied Energy Materials منتشر شده و از طریق پیوند در دسترس است.