محققان موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) روشی برای پوشش‌دهی کاتدهای باتری لیتیوم یون با گرافن ایجاد کردند که عمر و عملکرد آن‌ها را افزایش می‌دهد. این تلاش اخیر ممکن است عملکرد باتری لیتیوم یونی را بهبود بخشد و وابستگی به کبالت را کاهش دهد، عنصری که اغلب در باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌شود و تامین پایدار آن دشوار است.
وابستگی به کبالت در باتری‌های لیتیم یون کمتر می‌شود
دیوید بوید، دانشمند تحقیقاتی ارشد این پروژه، در دهه گذشته برای توسعه روش‌هایی برای تولید گرافن کار کرده است. در سال ۲۰۱۵، بوید و همکارانش کشف کردند که گرافن با کیفیت بالا را می‌توان در دمای اتاق تولید کرد. پیش از این، تولید گرافن به دمای بسیار بالا، تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد نیاز داشت. پس از این پیشرفت، آن‌ها به دنبال کاربردهای جدید برای گرافن بودند. به تازگی، بوید با ویل وست، از آزمایشگاه پیش‌رانش جت دانشگاه کالیفرنیا همکاری کرده است. وست در الکتروشیمی و به ویژه در توسعه فناوری‌های باتری بهبود یافته تخصص دارد. بوید و وست تصمیم گرفتند ببینند که آیا گرافن می‌تواند باتری لیتیوم یونی بهبودیافته‌ای ایجاد کند، که در نهایت نشان دادند که این امکان وجود دارد.
امکان پیشرفت در فناوری باتری لیتیوم یون همچنان وجود دارد. برای مثال، بوید می‌گوید: «مهندسان تسلا باتری مقرون‌به‌صرفه‌ای می‌خواهند که بتواند سریع شارژ شود و برای مدت زمان طولانی‌تری کار کند.»
وست می‌افزاید: «هرچه تعداد دفعات بیشتری بتوانید باتری را در طول عمرش شارژ کنید، باتری‌های کمتری باید استفاده کنید. این امر مهم است زیرا باتری‌های لیتیوم یونی از منابع محدودی استفاده می‌کنند و دفع باتری‌های لیتیوم یون به طور ایمن و موثر بسیار مهم و چالش برانگیز است. »
یکی از ویژگی‌های مهم باتری‌های لیتیوم یون نحوه عملکرد آن‌ها پس از چرخه‌های متعدد شارژ و دشارژ است. یک مشکل رایج انحلال فلزات واسطه از مواد کاتدی است که به ویژه در مواد کاتدی با محتوای منگنز بالا شدید است، اگرچه برای مواد کاتدی با محتوای کبالت بالا کمتر است.
بوید توضیح می‌دهد: «در نتیجه واکنش‌های جانبی ناخواسته‌ای که در طول استفاده از باتری رخ می‌دهد، فلزات واسطه در کاتد به تدریج به آند منتقل می‌شوند، جایی که در انجا گیر می‌کنند و عملکرد آند را کاهش می‌دهند. این انحلال فلز واسطه (TMD) دلیلی برای استفاده از کاتدهای گران قیمت کبالت دار به جای کاتدهای ارزان قیمت با محتوای منگنز بالا است.
چالش دیگر برای باتری‌های لیتیوم یون این است که آن‌ها به فلزاتی گران، کمیاب و مسئله ساز وابسته هستند. مقدار قابل توجهی از عرضه جهانی کبالت، در جمهوری دموکراتیک کنگو انجام می‌شود و بیشتر آن توسط معدنچیان استخراج می‌شود. کارگران از جمله کودکان، درگیر کارهای فیزیکی خطرناک و سخت در این معادن هستند.
جست‌وجوی راه‌هایی برای افزایش عملکرد باتری و در عین حال کاهش یا حذف استفاده از کبالت به مقابله با این مشکلات کمک می‌کند.
مهندسان قبلاً می‌دانستند که پوشش‌های کربنی روی کاتد باتری‌های لیتیوم یونی می‌تواند TMD را کند یا متوقف کند، اما توسعه روشی برای اعمال این پوشش‌ها دشوار بود. در این پروژه محققان گرافن را مستقیم روی ماده کاتد قرار دادند.
