شارژ سریع باتریها به کمک نانوصفحات دو بعدی
ساخت باتری لیتیوم یونی که می تواند در چند دقیقه شارژ شود و همچنان در ظرفیت بالا کار کند، مطابق با پژوهشی که توسط محققان انستیتو پلی تکنیک رنسلر که به تازگی در انتشارات nature چاپ شد امکان پذیر گشته است. این دستاورد توانایی بهبود عملکرد باتری در مصرف کننده‌های الکتریکی، ذخیره انرژی خورشیدی و خودروهای الکتریکی را دارا است.
یک باتری لیتیوم یونی در اثر حرکت یون های لیتیوم بین دو الکترود به نام های کاتد و آند شارژ و یا تخلیه می شود. در باتری های لیتیوم یونی معمولی آند از جنس گرافیت است، در حالی که کاتد از اکسید “لیتیوم-کبالت” تشکیل شده است.
چرایی اینکه باتری های لیتیوم یونی به طور فزاینده ای رایج شده اند، به کارکرد خوب این دو ماده در کنار یکدیگر بر می گردد، اما محققان انستیتو پلی تکنیک رنسلر معتقدند که عملکرد این مواد می تواند تا مقدار بیشتری بهبود یابد.
نایخیل کوراتکار استاد مهندسی مکانیک، هوافضا و هسته ای در انستیتو پلی تکنیک رنسلر و نویسنده مسئول مقاله ذکر شده می گوید:” بهبود مواد استفاده شده در الکترودها، راهی برای ساخت باتری هایی با عملکرد بهتر است. آنچه که ما تلاش میکنیم انجام دهیم بهبود عملکرد در تکنولوژی باتری های لیتیوم یونی است.”
کوراتکار تحقیقاتش را به نانوتکنولوژی و ذخیره انرژی گسترش داده است گه سبب شده در میان محققان، دارای بیشترین ارجاعات در دنیا قرار گیرد. در کار اخیر، کوراتکار و تیمش عملکرد باتری را با جایگزینی اکسید کبالت به وسیله وانادیوم دی سولفید ارتقا دادند.
کوراتکار که همچنین استاد دانشکده مهندسی و علم مواد است افزود: “این به شما چگالی انرژی بالاتری عرضه می کند چون سبک تر است. و این به شما قابلیت شارژ سریع تری می دهد چون رساناتر است. از این نقطه نظر، ما به سمت این مواد رفتیم.”
شور و اشتیاق پیرامون قابلیت های وانادیوم دی سولفید در سال های اخیر رو به افزایش بوده است اما هم اکنون بنابر آنچه که کوراتکار می گوید، محققان توسط ناپایداری این ماده به چالش کشیده شده اند (ناپایداری مشخصه ای است که باعث کوتاهی عمر باتری می شود). محققان انستیتو پلی تکنیک رنسلر نه تنها نشان داده اند که چرا ناپایداری رخ می دهد، بلکه یک روش برای مقابله با آن گسترش داده اند.
این تیم که شامل وینسنت مونیر، رئیس دانشکده فیزیک، فیزیک کاربردی و ستاره شناسی و همچنین چندین محقق دیگر است مشخص کردند که الحاق اتم های لیتیوم باعث عدم تقارن در فاصله ی بین اتم های وانادیوم که به اعوجاج پیرلز معروف است می شود که این باعث فروپاشی ورقه های وانادیوم دی سولفید می شود. این محققان دریافتند که پوشش دهی ورقه ها با یک لایه پوششی با ضخامت در حد نانومتر از تیتانیم دی سولفید (ماده ای که دچار اعوجاج پیرلز نمی شود)، ورقه های وانادیوم دی سولفید را پایدار می کند و باعث بهبود عملکرد آن در باتری می شود.
به محض اینکه مشکل برطرف شد، این تیم دریافت که الکترودهای وانادیوم دی سولفید-تیتانیم دی سولفید می توانند در یک ظرفیت ویژه بالا کار کنند یا به عبارتی شارژ بر واحد جرم بیشتری را ذخیره کنند. کوراتکار می افزاید وزن و سایز کوچک اتم های وانادیوم و گوگرد به آن ها اجازه می دهد که ماده را به ظرفیت و چگالی انرژی بالایی برسانند. اندازه کوچک آن ها همچنین به فشرده سازی باتری کمک خواهد نمود.
کوراتکار خاطرنشان کرد: “این یک موضوع جدیدی بود. کسی متوجه نشد که عامل اصلی، مسئله اعوجاج پیرلز است. تیتانیم دی سولفید به عنوان یک ماده حائل عمل می کند. تیتانیم دی سولفید ، ورقه های ماده وانادیوم دی سولفید را کنار یکدیگر نگه می دارد و یک پشتوانه‌ی مکانیکی برای آن به وجود می‌آورد”.
وقتی که شارژ با سرعت بالاتری انجام گیرد، افت ظرفیت به بزرگی مقداری که در سایر الکترودها رخ می دهد نخواهد بود. این الکترودها قادر هستند به مقدار منطقی و معقولی ظرفیت را حفظ کنند زیرا بر خلاف اکسید کبالت، ماده الکترودی وانادیوم دی سولفید-تیتانیوم دی سولفید رسانای الکتریکی است.
کوراتکار کاربرد های چندگانه برای این دستاورد در بهبود باتری های ماشین، منبع قدرت وسایل الکترونیکی قابل حمل و ذخیره انرژی خورشیدی که ظرفیت بالا اهمیت دارد متصور است، اما افزایش سرعت شارژ همچنان جذاب خواهد بود.
منبع خبر: www.sciencedaily.com
مترجم: محسن کریم پور
ویراستار: حسین جعفری پور
