استفاده از لیزر جهت افزایش ظرفیت سیلیکون
باتری‌های لیتیوم-یون (LIBs) از میان انواع باتری‌ها، سریع‌ترین رشد را در سیستم ذخیره انرژی نشان می‌دهند. با توجه به کاربردهای مدرن این باتری‌ها از قبیل وسایل نقلیه الکتریکی؛ بهبود چگالی انرژی، چگالی توان و پایداری فرایند شارژ و دشارژ، همچنان از موضوعات مهم و مورد علاقه هستند. مواد آندی جدید با ظرفیت ویژه بالا، توجهات زیادی را به خود جلب کرده‌اند . انتظار می‌رود ظرفیت ذخیر‌سازی بالاتری برای باتری‌ها ارائه دهند. به تازگی محققان به کمک لیزر توانستند ظرفیت سطحی سیلیکون را ارتقا ببخشند.
مشکلات آند بر پایه سیلیکون
سیلیکون به دلیل ظرفیت بسیار بالا، سازگاری با محیط زیست و فراوانی بر روی زمین، به عنوان ماده تشکیل دهنده آند به طور گسترده‌ای مورد بررسی قرار گرفته است. با این حال، یک آند بر پایه سیلیکون (Si) معمولا از مشکلاتی رنج می‌برد. چالش‌های اصلی این نوع آند برای کاربردهای عملی شامل موارد زیر است:
1- تغییر حجم بالای سیلیکون در چرخه‌های مکرر شارژ-دشارژ : منجر به پودر شدن (Pulverization) و تشکیل مداوم لایه سطحی ناپایدار الکترولیت جامد (SEI) میشود.
2- کاهش ظرفیت برگشت‌پذیر در چرخه اول که منجر به کم شدن بازده کلمبیک اولیه (ICE) میشود.
3- هدایت الکتریکی کم سیلیکون که باعث خواهد شد هدایت الکتریکی درون باتری کاهش یابد.
راه حل یک
برای متوقف ساختن تغییر حجم در طول چرخه شارژ-دشارژ، “نانو مواد مهندسی‌شده سیلیکون” مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. به‌طوری که نسبت بالای سطح به حجم آن‌ها می‌تواند افت تنش را آسان‌تر کند. استفاده از نانوساختار سیلیکونی با توجه به سطح ویژه بسیار زیاد آن، سطح بین الکترود-الکترولیت را افزایش داده و در نتیجه با مصرف بیشتر لیتیوم و تشکیل لایه SEI باعث کاهش بازده کلمبیک اولیه میشود. از طرف دیگر نسبت بالای حجم به جرم این نانوساختار باعث کاهش ظرفیت حجمی نیز میشود.
راه حل دو
روش موفقیت‌آمیز دیگر برای کنترل انبساط حجمی سیلیکون، استفاده از یک لایه‌ی نازک سیلیکون با ضخامت زیرمیکرون (Submicron) است. اما در این روش نیز با چگال شدن ضخامت فیلم، مشکلاتی از قبیل تغییر شکل مکانیکی، ترک خوردگی و شکل‌گیری لایه جدیدی از SEI ایجاد میشود که در نتیجه آن بازده کلمبیک اولیه و ظرفیت کاهش می‌یابند. با اضافه کردن یک ماده ی ثانویه مانند آلمینیوم و سپس حذف آن می توان تخلخل هایی در سطح الکترود ایجاد نمود تا از این گونه مسائل جلوگیری کرد.
روش Laser Additive Manufacturing
محققان چینی با ارائه روشی جدید موسوم به Laser Additive Manufacturing با استفاده از لیزر و فرآیند آلیاژ زدایی (Dealloying)، این چالش‌ها را برطرف کردند. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است در فرآیند ساخت افزایشی با لیزر، ابتدا پودر مخلوط Al و Si روی زیرلایه Cu قرار گرفت. سپس پودر از طریق پرتو لیزر روبشی (Scanning Laser Beam) ذوب شد و یک لایه‌ی مذاب که بعداً سرد و جامد میشود، تشکیل گردید. در نتیجه یک لایه با حداقل ضخامت چند میکرون حاوی Al-Si-Cu بر روی فویل مسی به دست آمد. این لایه، به مدت 4 ساعت در محلول 3 مولار HCl غوطه‌ور شد. در طی این فرآیند که به آلیاژزدایی معروف است؛
- عنصر فعال الکتروشیمیایی Al به صورت انتخابی حذف شد
- یک لایه متخلخل Si/Cu برای استفاده به عنوان آند باقی ماند.
نتایج آزمون پراش اشعه ایکس (XRD) و آنالیز مقطعی (Cross-Section) پس از آلیاژزدایی، حذف انتخابی Al و تشکیل لایه متخلخل Si/Cu را نشان می‌دهند .(شکل زیر)
در این پژوهش، آند متخلخل Si/Cu از قرار گرفتن ذرات سیلیکونی با ابعادی در حدود 10 میکرومتر و ضخامت حدود 300-50 نانومتر در ساختار متخلخل مس در فضایی سه بعدی تشکیل شد. با کنترل ابعاد، از ایجاد ترک در فیلم سیلیکونی جلوگیری میشود. علاوه بر این، ساختار متخلخل، دسترسی کافی برای الکترولیت و حجم مناسب انبساط را در طول فرآیند لیتیوم‌دار شدن فراهم می‌کند.
نتایج آزمون‌های الکتروشیمیایی
نتایج آزمون‌های الکتروشیمیایی نشان دهنده میزان 93.4% بازده کولومبی اولیه و ظرفیت حجمی mAh.cm-3 2131 است . که نسبت به پژوهش‌های دیگر بر پایه الکترود سیلیکون، بالاتر است. سائو و همکارانش این افزایش را به چگالی انباشت بالا و سطح ویژه کوچک در ذرات سیلیکون مربوط دانستند. هم‌چنین اشاره به این نکته حائز اهمیت است که مورفولوژی (ریخت‌شناسی) ذرات سیلیکون در طی چرخه‌های شارژ-دشارژ بدون تغییر باقی مانده و آسیب‌های مکانیکی از قبیل شکست یا تراش خوردگی در آن مشاهده نشده است. این موضوع تاییدی بر پایداری ساختاری بالا و یکپارچگی در طول چرخه‌های شارژ-دشارژ می‌باشد.
بنابراین، آند متخلخل Si/Cu نه تنها باعث افزایش ICE و ظرفیت حجمی میشود، بلکه پایداری مکانیکی در طول سیکل باتری را در مقایسه با فیلم‌های متراکم سیلیکونی متداول به صورت قابل توجهی افزایش می‌دهد. به این ترتیب، روش ساخت به کمک لیزر و فرآیند آلیاژزدایی به عنوان روشی یکپارچه برای ساختارهای با ترکیب و ابعاد قابل کنترل، پتانسیل خوبی برای طراحی در الکترود باتری‌های LIBs از خود نشان می‌دهند.
