با همکاری شرکت تری‌دی‌سی (۳DC)، دانشگاه توهوکو، دانشگاه اوچانومیزو، دانشگاه هوکایدو و دانشگاه اوزاکا محققان موفق به تولید باتری‌های لیتیم هوا با کارایی بالا شدند. آنها برای این کار اقدام به تولید کاتدهای نانویی جدیدی کردند.
با همکاری صنعت و دانشگاه، باتری‌های لیتیم هوا به تجاری‌سازی نزدیک می‌شوند
باتری‌های لیتیوم هوا، که گاهی به‌عنوان باتری‌های لیتیوم اکسیژن (Li-O2) شناخته می‌شوند، شامل یک آند از جنس لیتیوم، یک الکترولیت آلی و یک کاتد کربن متخلخل هستند. در حین تخلیه، اکسیژن موجود در هوای اطراف با لیتیوم در کاتد واکنش نشان می‌دهد و انرژی را در این فرآیند آزاد می‌کند. با توجه به چگالی انرژی بسیار بالا (> 3500 Wh Kg-1)، باتری‌های باتری‌های لیتیوم اکسیژن به طور بالقوه می‌توانند راه تولید منابع سبزتر را برای امنیت انرژی باز کنند.
با این حال، پیشرفت در این فناوری تاحدی متوقف شده است زیرا کاتدهای کربن مخصوص طراحی شده فاقد ویژگی‌های مورد نظر هستند. یعنی سایت‌های فعال فراوان که در آن واکنش‌های شیمیایی می‌توانند اتفاق بیفتند و فضای کافی برای ایجاد هسته و رشد محصولات، چیزی که برای دستیابی به چگالی انرژی بالا لازم است، در این کاتدها وجود ندارد.
محققان دانشگاه توهوکو و شرکای آنها نوع خاصی از ورق کربن متخلخل به نام ورق مزواسفنج گرافنی (GMS-Sheet) را تهیه کرده‌اند. نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای در نشریه Advanced Energy Material در تاریخ ۱۴ نوامبر، ۲۰۲۳ به چاپ رسیده و در آن محققان نشان دادند که چگالی انرژی و پایداری چرخه در باتری‌های لیتیوم اکسیژن با این کاتدها بهبود یافته و با کارایی بالا کار می‌کند.
هیروتومو نیشیهارا، استاد مؤسسه پیشرفته تحقیقات مواد دانشگاه توهوکو می‌گوید: «طراحی منطقی ساختار متخلخل در کاتد کربن برای دستیابی به کارایی بالا بسیار مهم است، اما این کار یک چالش بزرگ است. ما به‌طور خلاقانه روش سنتز قابل کنترل از مقیاس آنگستروم به میلیمتری ارائه کردیم که با استفاده از آن می‌توان کاتدهایی ساخت که کمترین میزان سایت لبه را در گرافن داشته باشند.»
برای انجام این کار، نیشیهارا و همکارانش سه پارامتر سنتز را در طی یک فرآیند رسوب بخار شیمیایی (CVD) کنترل کردند: نیروی گلوله‌سازی، میزان الگوی Al2O3 و مدت زمان CVD. انجام این کار منجر به تولید ورق مزواسفنج گرافنی با تخلخل مختلف شد.
وی یو از محققان این پروژه می‌گوید: «جالب است بدانید که ظرفیت باتری‌های لیتیوم اکسیژن با استفاده از کاتدهای ورق مزواسفنج گرافنی را می‌توان با این سه پارامتر سنتز کنترل کرد. با بهینه سازی این پارامترها، ما از دستیابی به ظرفیت‌های ذخیره انرژی چشمگیر، فراتر از عملکرد بهترین کاتدهای کربنی، با بیش از ۶۳۰۰ میلی آمپر ساعت در هر گرم و بیش از ۳۰ میلی آمپرساعت در هر سانتی‌متر مربع هیجان‌زده می‌شویم.»
