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.
دانشگاه صنعتی شریف: راهکاری برای رفع چالش تخریب آندهای نسل جدید نانوساختار سیلیکونی در باتری‌های لیتیومی
دکتر علی اسفندیار دانشیار دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف با همکاری گروهی از پژوهشگران بین‌المللی به‌صورت آزمایشگاهی و شبیه‌سازی عددی نشان دادند که طراحی گروه‌های عاملی مناسب روی نانولوله کربنی می‌تواند به تماس بهتر آن با سطح نانوذره سیلیکون بینجامد.
علی‌رغم ظرفیت بسیار بالای ذخیره یون لیتیوم در ساختار اتمی سیلیکون به‌عنوان جایگزین آند گرافیتی متداول، 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 ۲۱ به چاپ رسیده است.
لینک دسترسی به مقاله:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2405829723002714
