دانشمندان نانوساختار گنبدی شکل برای ارتقای عمر و عملکرد باتری ارائه کردند خبرنگاران - تور اروپا ارزان

به گزارش گروه فناوری خبرنگاران، باتری های لیتیوم یون قدرتمند، قابل حمل و قابل شارژ از اجزای مهم فناوری مدرن هستند که در تلفن های هوشمند، لپ تاپ ها و وسایل نقلیه الکتریکی یافت می شوند. معمولا گرافیت برای آند یک باتری لیتیوم یون استفاده می گردد، اما این ماده کربنی محدودیت های متعددی دارد.

مارتا هارو از محققان این پروژه می گوید: هنگام شارژ شدن باتری، یون های لیتیوم مجبور می شوند از یک سمت باتری یعنی کاتد، به وسیله محلول الکترولیت، به سمت دیگر باتری یعنی آند حرکت نمایند. سپس، هنگامی که از یک باتری استفاده می گردد، یون های لیتیوم دوباره به داخل کاتد باز می گردند و جریان الکتریکی از باتری آزاد می گردد. اما در آندهای گرافیت، شش اتم کربن برای ذخیره یک یون لیتیوم مورد احتیاج است؛ بنابراین، دانسیته انرژی این باتری ها کم است.

محققان در حال جستجوی مواد جدیدی هستند که بتواند تعداد یون های لیتیوم ذخیره شده در آند را افزایش دهد. یکی از امیدوار نماینده ترین گزینه ها سیلیسیم است که می تواند به هر اتم سیلیکون چهار یون لیتیوم متصل کند.

هارو می گوید: آندهای سیلیکون می توانند ده برابر بار بیشتری نسبت به آندهای گرافیت ذخیره نمایند، از نظر تراکم انرژی، این مقدار قابل توجه است. مسئله این است که با حرکت یون های لیتیوم به درون آند، تغییر حجم بسیار زیادی تا حدود 400 درصد ایجاد می گردد که باعث شکستگی الکترود می گردد.

گراماتیکوپولوس می گوید: هدف ما کوشش برای ایجاد یک آند قوی تر بود که بتواند در برابر تنش های حاصل از تغییر حجم مقاومت کند، تا بتواند لیتیوم را تا آنجا که ممکن است جذب کند و عمر طولانی داشته باشد. روشی که ما در پیش گرفتیم ساخت سازه ای با استفاده از نانوذرات بود.

آن ها به جای استفاده از گرافیت برای آند، به سیلیکون روی آوردند، ماده ای که بار بیشتری را در خود ذخیره می نماید اما شنماینده است.این تیم با لایه نشانی اتم های سیلیسیم روی نانوذرات فلزی، آند سیلیکونی ساختند. نانوساختار حاصل قوس هایی را ایجاد می نماید که باعث افزایش مقاومت و یکپارچگی ساختاری آند می گردد. آزمایش های الکتروشیمیایی نشان داد که باتری های یون لیتیوم با آندهای سیلیکون بهبود یافته ظرفیت شارژ بالاتر و طول عمر بیشتری دارند.

به وسیله تصویربرداری میکروسکوپی و شبیه سازی های کامپیوتری در سطح اتمی، محققان نشان دادند که وقتی اتم های سیلیسیم روی لایه نانوذرات رسوب می نمایند، یک فیلم یکنواخت ایجاد نمی نمایند. در عوض آنها ستون هایی به شکل مخروط های معکوس تشکیل می دهند، با رسوب بیشتر اتم های سیلیکون، این ستون ها گسترده تر می شوند. در نهایت، ستون های سیلیکونی منفرد به هم متصل می شوند و یک ساختار طاقی و قوسی را تشکیل می دهند. این ساختار طاقدار محکم است، درست مانند یک گنبد در یک معماری سنتی که همین موضوع موجب استحکام بالای سازه می گردد.

پژوهشگران دریافتند که افزایش مقاومت سازه با افزایش عملکرد باتری نیز همراه است. وقتی دانشمندان آزمایش های الکتروشیمیایی را انجام دادند، دریافتند که باتری لیتیوم یون ظرفیت شارژ بیشتری دارد. لایه محافظ نیز پایدارتر بود، به این معنی که باتری می تواند چرخه شارژ بیشتری را تحمل کند.