افزایش توان باتری‌های لیتیوم یون با گرافن سه بعدی
باتری‌های لیتیوم-یون به علت برگشت‌پذیری، طول عمر بالا، ابعاد کوچک و آلودگی‌های زیست محیطی کم؛ در طبقه‌بندی ادوات انرژی ایده‌آل برای تبدیل و ذخیره انرژی قرار میگیرند. باتری‌های LMO به دلیل هزینه‌ی مناسب، در خودروهای الکتریکی هیبریدی مورد استفاده قرار میگیرند. این نوع از باتری‌ها با مشکلاتی از قبیل افت سریع ظرفیت و حل شدگی فلز منگز روبه‌رو هستند که به تازگی دانشمندان با ارائه‌ی یک راه حل ساده، این مشکلات را برطرف نمودند.در نتیجه باعث افزایش توان باتری شدند.
اکسید منگنز لیتیوم
LiMn2O4 با ساختار سه‌بعدی به علت هزینه کم، سنتز آسان، ایمنی و ظرفیت بالا، در زمینه تأمین انرژی خودروهای هیبریدی، نقشی اساسی را ایفا می‌کند. با این حال سرعت کاهش ظرفیت، کاربرد آن در مقیاس‌های بزرگ را محدود می‌کند. در سال‌های اخیر، محققان تلاش‌های بسیاری برای بهبود عملکرد الکتروشیمیایی آن انجام دادند که جایگزینی (دوپ کردن) مواد و پوشش‌دهی سطحی، از این قبیل کارها می‌باشد.
سنتز اکسید منگنز لیتیوم
به تازگی دانشمندان چینی موفق به سنتز مواد کاتدی LiMn2O4 با عملکردی فوق‌العاده برای باتری‌های پرتوان لیتیوم-یون شدند. آن‌ها مطالعات خود را به روش دوپینگ دو-کاتیونی (Na+, Mg+2) و پوشش‌دهی گرافن سه بعدی (3DG) انجام دادند.
برای این‌منظور،ترکیب (Li0.94Na0.06Mg0.08Mn1.92O4/ 3DG) را با روش هیدروترمال (حرارتی)، گرمادهی فاز جامد در دمای بالا و روش خشک کردن انجمادی، سنتز کردند.
دوپ کردن کاتیون‌های +Na وMg+2
هدف از دوپ کردن کاتیون‌های +Na وMg+2 چیست ؟
- افزایش حجم سلول واحد
- گسترش مسیرهای نفوذ +Li ( در نتیجه افزایش سرعت نفوذ +Li است)
- کاهش میزان یون Mn+3 و جلوگیری از انحلال آن . ( در نتیجه موجب پایداری ساختار در طی فرآیند شارژ و دشارژ می‌شود)
گرافن سه‌بعدی
پوشش‌دهی به کمک گرافن سه بعدی چه کمکی می‌تواند بکند ؟
- ارتباط بین Mn+3 و الکترولیت را قطع می‌کند. ( در نتیجه به صورت موثر مانع از انحلال Mn+3 در الکترولیت شود)
- قابلیت افزایش قابل توجه هدایت ماده LiMn2O4 و کاهش قطبش (پلاریزاسیون) در حین فرآیند شارژ و دشارژ را نیز فراهم می‌کند.
بر اساس نتایج میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و الگوی پراش الکترونی (SAED)؛ دوپ کردن کاتیون‌های Na+, Mg+2 و پوشش‌دهی با گرافن سه بعدی، تغییری در ساختار مکعبی LiMn2O4 به وجود نیاورده و ساختار کریستالی و خلوص شیمیایی خود را حفظ کرده است. اما ساختار متخلخل گرافن سه بعدی، در سطح ماده‌ی کاتدی نفوذ +Li را بهبود می‌بخشد . در نتیجه عملکرد الکتروشیمیایی آن را افزایش میدهد.
سطح ویژه اندازه‌گیری شده با روش BET، میزان افزایش 2.5 برابر سطح کاتد را در حالت پوشش دهی 3DG نشان میدهد. در واقع پوشش‌دهی گرافن سه بعدی به طور موثری سطح ویژه ماده را افزایش داده است. سطح ویژه بالا، به افزایش سطح تماس بین ماده فعال و الکترولیت کمک می‌کند و با آسان کردن مهاجرت یون لیتیوم در طی فرآیند شارژ و دشارژ، عملکرد الکتروشیمیایی ماده را ارتقاء میدهد.
نتایج
نتایج تست‌‌های الکتروشیمیایی نشان دهنده افزایش ظرفیت ویژه دشارژ اولیه (mAh/g 146) است. همچنین پایداری در ظرفیت نیز به دلیل کاهش حل‌شدگی فلز منگز به راحتی کنترل شده و به دلیل ایجاد تونل‌های بزرگ‌تر برای عبور یون‌های لیتیوم، باتری توانایی تحویل دهی جریان بالاتر را خواهد داشت. علاوه بر آن کاهش مقاومت کاتد به کمک گرافن سه بعدی نیز در افزایش توان باتری نقش به سزایی را ایفا کرده است.
نتیجه
به این ترتیب، نتایج حاصل از کار آن‌ها نشان میدهد که دوپ کردن یون‌های +Na و Mg+2 و پوشش‌دهی گرافن سه بعدی، مقاومت سطحی الکترولیت جامد (SEI) را کاهش میدهد و نرخ نفوذ یون لیتیوم را افزایش میدهد که این ایده در سایر مواد کاتدی مانند کاتدهایNMC و NCA قابل اجرا خواهد بود.
