عضو هیئت علمی دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف با همکاری گروه تحقیقاتی از دانشگاه شانگهای چین موفق به ارائه راهکاری جدید و معرفی ساختار هیبریدی نانولوله کربن و نانوذرات سیلیکون به‌عنوان آند باتری لیتیومی شده است.
علی‌رغم ظرفیت بسیار بالای ذخیره یون لیتیوم در ساختار اتمی سیلیکون به‌عنوان جایگزین آند گرافیتی متدوال، تغییر حجم زیاد و برگشت ناپذیر آندهای جدید سیلیکونی در باتری‌های یون لیتومی معمولاً منجر به شکستگی فیزیکی ذره شده که موجب قطع ارتباط عامل رسانا و بستر فلزی می‌شود. این پدیده ناخواسته منجر به توزیع بار غیریکنواخت در سطوح سیلیکون در شرایط شارژ سریع یا دمای پایین و در نهایت کاهش ظرفیت باتری می‌شود. بنابراین انبساط پایدار و برگشت‌پذیر سیلیکون در حالت ذخیره یون لیتیوم با ثبات مکانیکی خوب برای تحمل تغییر حجم زیاد سیلیکون و حفظ استحکام و خاصیت چسبندگی مواد چالشی بزرگ است.
در این پژوهش فصل مشترک بین نانوذره سیلیکون و نانولوله کربن با ساختاری شبیه به زیپ مولکولی طراحی و سنتز شد. این فصل مشترک می‌بایست هم از نظر مکانیکی و هم برای حمل و نقل سریع یون‌ها و الکترون‌ها مناسب باشد. در این پژوهش نشان داده شد که با انتخاب مناسب ماده پلیمری و گروه‌های عاملی، پایداری طولانی مدت چرخه‌ای در دمای اتاق و حتی دمای انجماد برای باتری ساخته شده حاصل می‌شود. نتایج شبیه‌سازی المان محدود نیز تأیید می‌کند که فصل مشترک طراحی شده، موجب توزیع یکنواخت‌تر یون لیتیوم و تنش مکانیکی حاصل از انبساط سیلیکون خواهد شد. مدل تماس خطی معرفی شده می‌تواند تنش ناشی از تغییر شکل را در طول ذخیره و یا تخلیه سریع یون لیتیوم به حداقل برساند.
این رویکرد یک راهبرد موثر برای نسل بعدی باتری یونی به‌منظور داشتن همزمان ظرفیت قابل توجه، نرخ شارژ و تخلیه سریع و طول عمر طولانی‌تر در محدوده آب و هوایی گسترده است.
نتایج آزمایشات و مطالعات این پژوهش در قالب مقاله‌ای در مجله معتبر Energy Storage Materials با ضریب تاثیر 21 به چاپ رسیده است.
جهت مشاهده مقاله اینجا را کلیک کنید.
