پژوهشگران دانشگاه کاشان با همکاری محققانی از دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلیتکنیک تهران)، روشی نوین برای افزایش عملکرد باتریهای آبی روی-یون ارائه کردهاند که بر پایه مهندسی فاصله میان لایههای یک نانوماده دوبعدی است. در این پژوهش، با استفاده از ورود و خروج کنترلشده یونهای سدیم، فاصله بین لایههای سولفید قلع (SnS₂) از ۰٫۸۶ به ۱٫۱۰ نانومتر افزایش یافت؛ تغییری که حرکت یونهای روی را تسهیل کرده و ظرفیت ذخیرهسازی، سرعت شارژ و تخلیه و پایداری چرخهای باتری را به طور قابل توجهی بهبود بخشید. کاتد حاصل توانست ظرفیت اولیه ۳۵۹ میلیآمپرساعت بر گرم را ثبت کند و پس از هزار چرخه شارژ و تخلیه، بیش از ۸۳ درصد ظرفیت خود را حفظ کند. این دستاورد میتواند مسیر توسعه باتریهای ایمن، کمهزینه و سازگار با محیط زیست را برای کاربردهایی مانند ذخیرهسازی انرژیهای تجدیدپذیر و سامانههای برقرسانی آینده هموار کند.
دستاورد مشترک دانشگاه کاشان و امیرکبیر: بهبود باتریهای روی-یون با فناوری نانو
افزایش استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر، خودروهای برقی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی، نیاز به باتریهایی با ایمنی بیشتر، قیمت پایینتر و طول عمر بالاتر را به یکی از مهمترین چالشهای فناوری تبدیل کرده است. اگرچه باتریهای لیتیوم-یون بخش بزرگی از بازار را در اختیار دارند، اما هزینه نسبتاً بالا، محدودیت منابع لیتیوم و برخی نگرانیهای ایمنی، پژوهشگران را به سمت فناوریهای جایگزین سوق داده است. در این میان، باتریهای آبی روی-یون به دلیل استفاده از الکترولیتهای آبی، قیمت مناسب، ایمنی بالا و فراوانی عنصر روی، یکی از امیدوارکنندهترین گزینهها برای ذخیرهسازی انرژی در مقیاس بزرگ محسوب میشوند.
در همین راستا، پژوهشگران دانشگاه کاشان با همکاری محققانی از دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلیتکنیک تهران)، راهکاری جدید برای بهبود عملکرد کاتد این باتریها ارائه کردهاند. بخش نانویی این پژوهش به استفاده از نانوماده دوبعدی سولفید قلع (SnS₂) مربوط میشود؛ مادهای با ساختار لایهای در مقیاس نانو که فاصله میان صفحات آن با مهندسی یونهای سدیم افزایش یافته است. این مهندسی در ابعاد نانومتری، مسیر حرکت یونهای روی را هموارتر کرده و عملکرد الکتروشیمیایی باتری را به طور چشمگیری ارتقا داده است.
یکی از مزیتهای اصلی مواد دوبعدی، وجود کانالهای لایهای برای عبور یونها است. با این حال، در بسیاری از این مواد فاصله میان لایهها برای حرکت سریع یونهای روی کافی نیست و همین موضوع ظرفیت ذخیرهسازی و طول عمر باتری را محدود میکند. پژوهشگران در این مطالعه تلاش کردند این محدودیت را با افزایش کنترلشده فاصله میان لایههای سولفید قلع برطرف کنند.
برای این منظور، ابتدا نانولایههای SnS₂ با یک روش ساده هیدروترمال سنتز شدند. سپس با استفاده از فرآیند ورود و خروج یونهای سدیم، ساختار لایهای این ماده اصلاح شد. یونهای سدیم به طور موقت میان صفحات SnS₂ قرار گرفتند و پس از خروج، فاصله بین لایهها از ۰٫۸۶ نانومتر به ۱٫۱۰ نانومتر افزایش یافت. این ماده جدید با نام SnS₂-HIL معرفی شد که HIL به معنای لایههای با فاصله زیاد (High Interspace Layers) است.
افزایش این فاصله، تنها یک تغییر ساختاری نبود. بررسیها نشان داد که آبدوستی ماده نیز افزایش یافته و ورود یونهای هیدراته روی به فضای میان لایهها آسانتر شده است. در نتیجه، یونهای روی با مقاومت کمتری در ساختار کاتد حرکت میکنند و فرآیند شارژ و تخلیه با سرعت بیشتری انجام میشود.
آزمایشهای الکتروشیمیایی نشان داد این کاتد عملکرد بسیار مطلوبی دارد. ظرفیت ویژه آن در چگالی جریان ۰٫۱ آمپر بر گرم به ۳۵۹ میلیآمپرساعت بر گرم رسید؛ عددی که برای باتریهای آبی روی-یون بسیار قابل توجه است. حتی در نرخ بسیار بالای ۱۰ آمپر بر گرم نیز این کاتد توانست ظرفیت ۱۷۴ میلیآمپرساعت بر گرم را حفظ کند که نشاندهنده قابلیت شارژ و تخلیه سریع آن است.
یکی دیگر از نقاط قوت این ماده، دوام بالای آن در استفاده طولانیمدت بود. نتایج نشان داد که پس از هزار چرخه شارژ و تخلیه، کاتد هنوز ۸۳٫۷ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کرده است. چنین پایداری بالایی، یکی از مهمترین شاخصهای مورد نیاز برای استفاده عملی از باتریها در شبکه برق، سامانههای ذخیره انرژی و تجهیزات الکترونیکی محسوب میشود.
برای درک علت این بهبود عملکرد، پژوهشگران رفتار الکتروشیمیایی کاتد را با دقت بررسی کردند. نتایج نشان داد که افزایش فاصله میان لایهها، ضریب نفوذ یونهای روی را افزایش داده و مانع حرکت آنها را کاهش داده است. همچنین سهم فرآیندهای شبهخازنی (Pseudocapacitive) در ذخیرهسازی انرژی بیشتر شده است؛ فرآیندهایی که امکان شارژ و تخلیه سریعتر باتری را فراهم میکنند.
مطالعات انجامشده پس از شارژ و تخلیه باتری نیز نشان داد هنگام ورود و خروج یونهای روی، قلع موجود در ساختار کاتد به طور برگشتپذیر میان دو حالت اکسایش Sn²⁺ و Sn⁴⁺ تغییر میکند. این تغییر فازی بدون تخریب ساختار اصلی ماده انجام میشود و یکی از عوامل مهم در حفظ ظرفیت و افزایش طول عمر باتری به شمار میرود.
به گفته پژوهشگران، استفاده از یونهای سدیم برای مهندسی فاصله میان لایهها، روشی ساده و مؤثر برای بهبود عملکرد مواد دوبعدی است و میتواند برای سایر ترکیبات لایهای نیز به کار گرفته شود. این راهبرد امکان طراحی نسل جدیدی از کاتدها را فراهم میکند که هم ظرفیت بالاتری دارند و هم در نرخهای شارژ و تخلیه زیاد عملکرد خود را حفظ میکنند.
پژوهشگران در پایان تأکید میکنند که این دستاورد افق تازهای برای توسعه کاتدهای پیشرفته در باتریهای آبی روی-یون گشوده است. مهندسی ساختار مواد در مقیاس نانو و کنترل دقیق فاصله میان لایهها میتواند یکی از مؤثرترین راهکارها برای افزایش کارایی سامانههای ذخیرهسازی انرژی باشد. این فناوری، علاوه بر کمک به توسعه باتریهای ایمنتر و ارزانتر، میتواند نقش مهمی در گسترش استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر، ذخیره برق شبکه و کاهش وابستگی به باتریهای مبتنی بر لیتیوم ایفا کند.
نتایج این پروژه در مقاله Improving the performance of a SnS2 cathode with interspace layer engineering using a Na+ insertion/extraction method for aqueous zinc ion batteries منتشر شده است
