1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • مدیریت بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمینه استاندارد سازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

افزایش کارایی باتری‌های لیتیومی به کمک ذرات کربنی سوراخ‌دار

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : باتری یون لیتیوم - مواد نانو متخلخل تاریخ خبر : 1396/06/01 تعداد بازدید : 437

پژوهشگران دانشگاه اصفهان با سنتز میکروذراتی از جنس کربن سخت که دارای سوراخ‌های نانویی هستند و به‌کارگیری آن‌ها در تولید آند باتری‌های لیتیومی، عملکرد این باتری‌ها را به‌صورت همه‌جانبه بهبود بخشیده‌اند. از این طرح که از ابتدا با هدف تجاری‌سازی کلید خورده است، یک اختراع نیز به ثبت رسیده است.

باتری‌های لیتیومی یک خانواده از باتری‌های قابل شارژ هستند که تقریباً انرژی قابل‌دسترسی بالغ‌بر دو برابر باتری‌های نسل قبل در اختیار قرار می‌دهند. این در حالی است که آن‌ها 3 تا 5 برابر سبک‌تر هستند و طول عمرشان نیز به میزان 300 تا 500 چرخه شارژ/تخلیه است. هم‌اکنون این باتری‌ها در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی قابل‌حمل از قبیل تلفن همراه، لپ‌تاپ‌ها و سیستم‌های مخابراتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سید محمد جعفری، ضمن بیان معایب باتری‌های لیتیومی رایج، در خصوص اهداف دنبال شده در این طرح گفت:‌ «یکی از اصلی‌ترین معایب الکترود باتری‌های لیتیومی، اثر افت کارایی است. کربن‌های گرافیتی مورد استفاده در باتری‌های امروزی پس از مدتی پوسته‌ پوسته می‌شوند و سپس باتری به‌کلی از کار می‌افتد. در این طرح سعی شده با بازطراحی آند و ایجاد تغییرات نانویی در ساختار آن‌ها، علاوه بر افزایش عمر و گستره دمایی کارکرد باتری، عملکرد آن نیز ارتقا بخشیده شود.»
اصلاحات صورت گرفته بر روی الکترود آند باتری موجب خواهد شد که علاوه بر افزایش عمر باتری، سرعت شارژ آن نیز افزایش یابد. از سوی دیگر، یکی از معایب بزرگ باتری‌های لیتیومی، هزینه‌ی بالای ساخت آن‌هاست که بخش اعظمی از آن مربوط به هزینه‌ی ساخت الکترود است. در این پژوهش، از مواد و روش‌هایی استفاده شده است که هزینه‌ی ساخت آند را به‌صورت چشمگیری کاهش می‌دهند.
مواد سنتز شده در این طرح دارای شکل هندسی کروی بوده و از دسته مواد نانومتخلخل هستند که علاوه بر استفاده در باتری‌های لیتیومی، پتانسیل بالایی در کاربردهای دیگری نظیر کاتالیستها، حسگرها و غشاها دارند. مواد نانومتخلخل دارای حفراتی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. تخلخل بیشتر موجب افزایش سطح در دسترس برای نفوذ، درج و دفع لیتیوم می‌شود. هر چه ابعاد این حفرات بیشتر باشد، به دلیل تسهیل در انتقال یون لیتیوم، سرعت شارژ مناسب‌تر خواهد بود. اما از سوی دیگر حضور ماکروحفرات موجب می‌شود تا سطح مؤثر کاهش یافته و ظرفیت نیز متعاقب آن افت کند. پس باید یک شرایط بینابین ایجاد شود تا هم سرعت شارژ و هم ظرفیت باتری در حد مطلوب باشد. بنابراین الکترود آند دارای مزوحفره (بین 2 تا 50 نانومتر) جهت برقراری شرایط بهینه سنتز شده است. بدین منظور از یک روش ابتکاری برای سنتز میکروذرات سوراخ‌دار استفاده شده است. در این راستا از یک حلال به‌عنوان عامل ایجاد تخلخل استفاده شده که این روش نسبت به روش‌های دیگر تولید مواد متخلخل نظیر روش قالب‌گیری، هم ساده‌تر و هم بسیار ارزان‌تر است. همچنین این نوآوری، امکان کنترل حفرات در مقیاس نانو را (فقط با تغییر مقدار حلال) فراهم می‌کند.
در طرح حاضر، میکروذرات کروی نانومتخلخل از جنس کربن سخت با بهره‌گیری از ترکیبی از روش میکروامولسیون و پلیمریزاسیون سنتز شده است. بدین منظور از رزین فنولیک به‌عنوان پیش ماده و از اتانول و اتیلن گلیکول به ترتیب به‌عنوان حلال و قالب نرم استفاده شده و پس از آن فرایند کربنیزه کردن انجام شده است. استفاده از مقادیر متفاوت اتیلن گلیکول، منجر به تولید نانوذرات دارای نانوتخلخل و ساختار کریستالی متفاوت، حجم حفره‌ی متفاوت، سطح مؤثر متفاوت و مهم‌تر از همه ظرفیت متفاوت برای ذخیره‌ی یون لیتیوم شده است. نمونه‌های سنتز شده با استفاده از انواع آزمون‌های الکتروشیمیایی و فیزیکی مورد ارزیابی قرار گرفته و شرایط بهینه‌ی ساختاری تعیین شده‌است.
گفتنی است از این طرح یک اختراع با عنوان «کربن سخت مزومتخلخل میکرودانه به‌عنوان ماده‌ی فعال آندی باتری یون لیتیوم» به شماره 89477 ثبت شده است. این اختراع، عنوان اختراع برگزیده را در جشنواره‌ی اختراعات بنیاد ملی نخبگان در سال 1395 از آن خود کرده است.
این تحقیقات حاصل تلاش‌های سید محمد جعفری - دانشجوی مقطع دکترای دانشگاه زنجان- و دکتر محسن خسروی- عضو هیأت علمی دانشگاه اصفهان- است. نتایج این کار در مجله‌ی Electrochimica Acta با ضریب تأثیر 4.798 (جلد 203، سال 2016، صفحات 9 تا 20) منتشر شده است.
مقالات آموزشی مرتبط