ساخت باتری‌های بهتر با گرافین مچاله

پژوهشگران آمریکایی در نظر دارند با استفاده از گرافین مچاله شده، امکان ذخیره انرژی را در باتری‌های جدید افزایش دهند.

کد خبر: ۱۹۷۴۱۷

تاریخ: ۰۲ بهمن ۱۳۹۶ - ۱۶:۳۱

به گزارش ایران اکونومیست به نقل از گیزمگ، باتری‌های فلز-لیتیوم پتانسیل بالای در بهبود باتری‌های لیتیوم-یون که نیروی دستگاه‌های سیار و خودروهای الکتریکی را فراهم می‌کنند، دارند.

با وجود امید به ذخیره انرژی بیشتر در هر شارژ، این باتری‌ها در شکل کنونی خود به خصوص هنگامی که موضوع ایمنی مطرح می‌شود، کمبودهایی دارند.

اکنون، مهندسان دانشگاه "نورث‌وسترن"" (Northwestern) آمریکا، ادعا می‌کنند که با استفاده از گوی‌های مچاله شده گرافین که هنگام شارژ باتری، مانند چهارچوب در یک خط قرار می‌گیرند، این نقص‌ها را برطرف کرده‌اند.

"جیاژینگ هوانگ" (Jiaxing Huang)، مهندس دانشگاه نورث‌وسترن توضیح می‌دهد: در باتری‌های کنونی، لیتیوم به طور اتوماتیک در ماده دیگری مانند گرافیت یا سیلیکون در "آند"(anode)، پخش می‌شود اما استفاده از یک ماده اضافی، عملکرد باتری را ضعیف می‌کند. لیتیوم خود یک فلز است بنابراین چرا از خود آن استفاده نکنیم؟

دلیل این امر، دندریت‌ها یعنی فیبرهای میکروسکوپی هستند که هنگام شارژ باتری، روی سطح آند انباشته می‌شوند.

دندریت‌ها در هنگام گسترش، مانع عملکرد باتری و در نهایت موجب اتصال کوتاه یا آتش گرفتن می‌شوند.

پژوهشگران با استفاده از الکترولیت‌های گوناگون، از طریق تقویت  باتری‌ها با "کِولار" و ایجاد انبوهی از نانولوله‌های سه بعدی  که از شکل‌گیری دندریت‌ها جلوگیری می‌کنند، در پی مقابله با این مشکل هستند.

روش گروه پژوهشی دانشگاه نورث‌وسترن، ساخت نوعی از گرافین است که ابداع آن به سال 2011 بازمی‌گردد.

این مهندسان، با الهام از یک سطل زباله پر از کاغذهای مچاله شده، به این ایده رسیدند که ورقه‌های گرافین را ابتدا در حد قطرات آب کوچک و سپس مچاله کنند تا به شکل گوی درآیند.

هنگامی که آب، تبخیر می‌شود، یک نیروی مویرگی ایجاد می‌کند که ورقه‌ها را به شکل توپ‌های زبر درمی‌آورد.

در آن زمان، مهندسان مشاهده کردند که گرافین در این شکل خود، ظرفیت خوبی برای ذخیره انرژی دارد چون دارای همان ویژگی‌های الکتریکی و سطحی ورقه‌های گرافین است اما مقادیر بیشتر را می‌توان در یک ساختار محکم بسته‌بندی کرد.

اکنون، پژوهشگران، در نوع جدیدی از باتری فلزی لیتیوم، گوی‌های گرافینی مچاله شده را مانند یک چهارچوب متخلخل برای آند به کار می‌گیرند.

چهارچوب‌های متخلخل، بخش امیدوارکننده‌ای از این ترکیب برای این نوع از ابزار تجربی به نظر می‌رسد چون هنگام شارژ باتری، لیتیوم، ترجیحا روی سطح آنها قرار می‌گیرد به طوری که از رشد دندریت جلوگیری می‌کند.

اما چهارچوب‌ها در هنگام حل یک مشکل، مشکل دیگری را به وجود می‌آورند. همان‌گونه که لیتیوم، سطح چهارچوب را می‌پوشاند و در چرخه‌های باتری حل می‌شود، این ساختار را گسترش می‌دهد و مانند یک اسفنج مرطوب و خشک منقبض می‌شود و فشاری را به وجود می‌آورد که می‌تواند آن را در هم بشکند.

با این که ممکن است ایجاد چهارچوب‌های محکم‌تر، راه حل واضحی به نظر برسد، هانگ و گروهش، روش متفاوتی را در پیش گرفتند.

یانگ می‌گوید: راهبرد ما یک تفکر معکوس است. این ذرات به هم متصل نیستند. هنگامی که لیتیوم خیس می‌شود، به یک قطعه پیوسته از مواد رسانا یعنی لیتیوم و گرافین تبدیل می‌شود.

هنگامیکه لیتیوم خرد می‌شود، ذرات می‌توانند برای شکل دادن یک لایه پیوسته و یکنواخت از ذرات گرافین، مجددا سازماندهی شوند و در کنار هم قرار گیرند.

این گروه با این چهارچوب جدید که می‌تواند در مقابل نوسانات حجمی چرخه باتری مقاومت کند، آن را در یک باتری سلولی جدید به کار گرفت که در آن مانند یک شبکه یکنواخت و پیوسته برای یون‌های لیتیوم عمل می‌کند تا در سرتاسر سطح جریان داشته باشد.

به گفته پژوهشگران، این باتری، بسیار سبک‌تر از یک باتری لیتیوم یون معمول است و راه حل آنها می‌تواند در محفظه‌ای که لیتیومی به ضخامت ده‌ها میکرون جای می‌گیرد، لیتیومی با ارتفاع 150 میکرون متراکم را جای دهد.

اگرچه هنوز موارد زیادی برای یادگیری در مورد پیچیدگی‌های این فناوری وجود دارد، مهندسان، حق ثبت آن را گرفته‌اند.

این پژوهش در مجله " Joule" به چاپ رسید.