مطالعه‌ای جدید که در مجله Advanced Energy and Sustainability Research منتشر شده است، به بررسی ساخت لایه‌های نازک نانوحفره‌ای هلیوم-سیلیکون با استفاده از فرایند هم‌نشانی پلاسما-محور پرداخته و رویکردی نوین را برای طراحی آندهای باتری لیتیوم-یونی (LIBs) ارائه می‌دهد.
ارائه آندهای نانوحفره‌ای برای ساخت باتری‌های لیتیوم-یون
با ایجاد یک محیط پلاسمای هلیوم با چگالی بالا، محققان توانستند کاشت کنترل‌شده اتم‌های هلیوم در لایه‌های سیلیکونی را انجام داده و فیلم‌های نازکی با تخلخل بالا تولید کنند. این فیلم‌های هم‌نشانی‌شده از نظر ظرفیت ذخیره‌سازی لیتیوم و پایداری چرخه‌ای مورد ارزیابی قرار گرفته و نشان داده‌اند که می‌توانند عملکرد باتری‌ها را بهبود بخشند.
با افزایش تقاضا برای باتری‌های لیتیوم-یونی با عملکرد بالا، تحقیقات بر روی مواد آندی پیشرفته متمرکز شده است که بتوانند عملکردی بهتر از گرافیت سنتی ارائه دهند. سیلیکون (Si) یکی از گزینه‌های برتر در این زمینه است، زیرا ظرفیت تئوری آن حدود ۳۶۰۰ میلی‌آمپر ساعت بر گرم (mAh g⁻¹) است که بیش از ۱۰ برابر ظرفیت گرافیت است.
با این حال، کاربرد عملی آن به دلیل انبساط حجمی بالا (تا ۴۰۰٪) در حین لیتیم دار شدن و از دست دادن لیتیم با چالش مواجه است. این انبساط شدید، باعث ایجاد تنش مکانیکی شده و اغلب منجر به جدا شدن سیلیکون از الکترود می‌شود.
برای حل این مشکل، محققان در حال توسعه ساختارهای متخلخل سیلیکونی هستند که می‌توانند تغییرات حجمی را جبران کرده و همزمان سطح تماس بیشتری برای تعامل با الکترولیت فراهم کنند. در این پژوهش، امکان استفاده از لایه‌های هم‌نشانی‌شده هلیوم-سیلیکون برای بهینه‌سازی خواص ریخت‌شناسی (مورفولوژی) و الکتروشیمیایی آندها مورد بررسی قرار گرفته است.
فرایند هم‌نشانی هلیوم-سیلیکون در یک محیط پلاسمای هلیوم با چگالی بالا انجام شد، که طی آن اتم‌های سیلیکون و یون‌های هلیوم به‌طور همزمان روی یک زیرلایه مسی (Cu) رسوب داده شدند.
این آزمایش‌ها با استفاده از دستگاه پلاسمایی Co-NAGDIS، که از تخلیه قوسی مستقیم (DC arc discharge) برای تولید پلاسما بهره می‌برد، انجام گرفت. برای بررسی تأثیرات مختلف بر تشکیل فیلم، پارامترهای رسوب‌دهی از جمله شدت جریان هلیوم و دمای زیرلایه به‌طور سیستماتیک تغییر داده شدند.
تصویربرداری الکترونی روبشی (SEM) و عبوری (TEM) برای بررسی مورفولوژی سطح و ویژگی‌های ریزساختاری مورد استفاده قرار گرفت. طیف‌سنجی واجذب حرارتی (TDS) برای اندازه‌گیری کارایی کاشت اتم‌های هلیوم به کار گرفته شد. تخلخل فیلم‌ها بر اساس شدت جریان هلیوم و ولتاژ زیرلایه در محدوده ۰.۳ تا ۰.۷۴ اندازه‌گیری شد.
روش هم‌نشانی، فیلم‌های نازک سیلیکونی با سطوح بهینه‌ای از تخلخل تولید کرد که باعث افزایش انتقال یون‌های لیتیوم و کاهش تنش در طول چرخه‌های الکتروشیمیایی شد.
نمونه۱ Si که بهترین عملکرد را داشت، در ابتدا ظرفیت تخلیه‌ای نزدیک به ۳۰۰۰ mAh g⁻¹ را نشان داد و پس از ۱۰۰ چرخه، حدود ۱۸۰۰ mAh g⁻¹ از ظرفیت خود را حفظ کرد. این ماندگاری ظرفیت بالا نشان می‌دهد که ساختار متخلخل به پایداری چرخه‌ای کمک کرده است.
همچنین، بررسی‌ها نشان داد که دمای زیرلایه تأثیر زیادی بر ساختار آمورف سیلیکون در طول هم‌نشانی دارد. در ۵۲۳ کلوین، سیلیکون آمورف به‌طور موفقیت‌آمیز رسوب داده شد که اثرات مثبتی بر عملکرد الکتروشیمیایی آند داشت.
کاشت اتم‌های هلیوم نقش کلیدی در بهبود خواص آند ایفا کرد. آنالیزهای اولیه نشان داد که انتشار اتم‌های مس از زیرلایه به درون لایه سیلیکون، باعث افزایش هدایت الکتریکی و بهبود انتقال یون‌های لیتیوم شده است.
تست‌های چرخه‌ای نشان دادند که بازده کولمبیکی (Coulombic efficiency) در طول زمان افزایش می‌یابد، که نشان‌دهنده حفظ یکپارچگی ساختاری و عملکرد الکتروشیمیایی مطلوب است.
نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که لایه‌های نازک هم‌نشانی‌شده هلیوم-سیلیکون می‌توانند راهکاری نویدبخش برای بهبود عملکرد باتری‌های لیتیوم-یونی باشند.
برای دستیابی به پیشرفت‌های بیشتر در فناوری باتری‌ها، پژوهش‌های آتی باید بر بهینه‌سازی فرایند هم‌نشانی و بهبود برهم‌کنش بین مواد آندی و الکترولیت متمرکز شوند. این امر نقش کلیدی در توسعه باتری‌های حالت‌جامد (all-solid-state batteries) خواهد داشت.
