بهبود عملکرد و سبک‌سازی باتری‌های لیتیومی با دانش ایرانی

به گزارش روز سه‌شنبه گروه علمی ایران اکونومیست از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، فاطمه پورصالحی دانش‌آموخته مقطع دکتری با هدایت و راهنمایی مهران جوانبخت و مشاوره احمد احمدی دریاکناری طرح تحقیقاتی با عنوان «بهبود عملکرد باتری‌های لیتیومی با تهیه الکترودهای نانوکامپوزیتی پیشرفته به روش ترسیب الکتروفورتیک" را اجرایی کردند.

پورصالحی علت انتخاب این روش را سبک کردن باتری‌های لیتیومی و حذف برخی مواد شیمیایی دانست و گفت: روش متداول در تهیه الکترود باتری‌های لیتیومی شامل تهیه دوغاب با گرانروی بالا از مواد الکترودی و سپس لایه‌نشانی آنها با تیغه بر سطح جمع‌کننده جریان و در نهایت تبخیر حلال است که این روش علاوه بر داشتن معایبی همچون استفاده از حلال سمیNMP، هزینه و زمان فرآیند بالایی را شامل می‌شود.

وی بومی‌سازی دانش فنی تهیه الکترودهای کاتدی باتری‌های لیتیومی با روش ترسیب الکتروفورتیک را از دستاوردهای مهم این پژوهش عنوان کرد و ادامه داد: در این راستا، نسبت به روش متداول و صنعتی لایه‌نشانی الکترودها، روش پیشنهادی منجر به کاهش هزینه‌ها با حذف مواد شیمیایی سمی NMP وPVDF، ساده‌سازی فرآِیند و تجهیزات و کاهش انرژی و زمان ساخت الکترودها در مقیاس آزمایشگاهی می‌شود.

این دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر اضافه کرد: به‌کارگیری الکترودهای نانوکامپوزیتی تهیه ‌شده با ساختار پیشرفته نسبت به الکترودهای متداول در باتری‌های لیتیومی به بهبود سیکل‌پذیری و عملکرد الکتروشیمیایی منجر می‌شود.

وی به بیان فرآیند اجرای این پروژه پرداخت و اظهار کرد: در این پروژه ما با اعمال جریان الکتریسیته به سوسپانسیون پایدار از اجزا الکترودی (روش ترسیب الکتروفورتیک) و بهینه‌سازی متغیرها، موفق به دستیابی به پوششی یکنواخت از اجزا بر سطح جمع‌کننده جریان شدیم و همچنین در ادامه پژوهش با حذف بایندر PVDF، الکترودهای سبک‌تر، کم هزینه‌تر و با ساختار منسجم و یکپارچه دست پیدا کردیم. به این منظور از کربن نانوتیوب چند جداره و صفحات گرافن سولفونه با سطح تماس بالا استفاده کردیم که بتوانند علاوه بر نقش هادی الکتریسیته، نقش بایندر را نیز در ساختار الکترود ایفا کنند.

پورصالحی اظهار کرد: پس از بهینه‌سازی‌های ذکر شده، الکترودهای کامپوزیتی پیشرفته حاوی کربن نانوتیوب و یا گرافن سولفونه در یک مرحله با کمک روش ترسیب الکتروفورتیک تهیه و بهینه شد.

وی با بیان اینکه الکترودهای تهیه ‌شده در باتری‌های قابل شارژ لیتیومی مورد استفاده قرار گرفتند، ادامه داد: این رساله دکتری در بخش‌های متعددی انجام شد که بخش اول شامل کسب دانش فنی تهیه الکترودهای کاتدی با روش ترسیب الکتروفورتیک و مقایسه ویژگی‌ها، ساختار و عملکرد آنها با الکترودهای متداول تجاری است، در بخش دوم به دنبال حذف بایندر PVDF از ساختار الکترودها بودیم.

این محقق اضافه کرد: نوآوری این بخش در استفاده از جایگزین کردن افزودنی هادی متداول کربن بلک با نانولوله‌های کربنی MWCNT است که علاوه بر هدایت الکتریکی بالا، می‌توانند نقش بایندر را ایفا کنند.

به گفته وی نتایج بخش اول و دوم این رساله در ژورنال Journal of the Electrochemical Society/ انتشارات IOP در سال ۲۰۲۳ منتشر شد.

در بخش سوم این رساله نیز الکترودهای کامپوزیتی حاوی گرافن سولفونه و گرافن سولفونه/کربن بلک تهیه و مقایسه شدند که در تهیه این کامپوزیت‌ها با کمک صفحات گرافن و استفاده از روش ترسیب الکتروفورتیک، مواد فعال الکترودی دربرگرفته شده با صفحات گرافن با هدایت الکتریکی بالا تهیه شدند. علاوه بر این، ذرات کربن بلک و گروه‌های سولفونه مورد استفاده در تهیه ساختار کامپوزیتی به افزایش عمر باتری‌های لیتیومی کمک کردند. نتایج این بخش از رساله در ژورنال Electroanalytical chemistry/ انتشارات الزویر اخیرا منتشر شده است.

پیش از شروع این رساله دکتری طی یک طرح تحقیقاتی، عملکرد باتری‌های لیتیومی را با تهیه الکترودهای کامپوزیتی برپایه نانوصفحات گرافن به کمک روش الکتروفورتیک بهبود بخشیدیم که نتایج آن در ژورنال Solid state chemistry / انتشارات الزویر در سال ۲۰۲۰ به چاپ رسید.