دانشمندان برای توسعه افزاره‌های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی، معروف به باتری‌ها، با کمک فناوری‌نانو با هم در حال رقابت هستند. اکنون محققان آلمانی برای تبدیل نانولوله‌های کربنی تجاری ارزان به مواد کربنی بسیار کارامد برای کاربردهای ذخیره انرژی الکتروشیمیایی، روش ساده‌ای را توسعه داده‌اند. این مواد کامپوزیتی هنگام تست به‌عنوان مواد الکترود برای باتری‌های لیتیم، در چرخه‌های تست طولانی، عملکرد بسیار عالی‌ای از خود نشان داده‌اند.
تبدیل نانولوله‌های کربنی به مواد کربنی عالی برای باتری‌ها
دانشمندان برای توسعه افزاره‌های ذخیره انرژی الکتروشیمیایی، معروف به
باتری‌ها، با کمک فناوری‌نانو با هم در حال رقابت هستند. اکنون محققان آلمانی برای
تبدیل نانولوله‌های کربنی تجاری ارزان به مواد کربنی بسیار کارامد برای کاربردهای
ذخیره انرژی الکتروشیمیایی، روش ساده‌ای را توسعه داده‌اند. این مواد کامپوزیتی
هنگام تست به‌عنوان مواد الکترود برای باتری‌های لیتیم، در چرخه‌های تست طولانی،
عملکرد بسیار عالی‌ای از خود نشان داده‌اند.
دکتر دانگشنگ سو، یکی از این محققان، گفت:«ما برای اولین بار توانستیم تولید بدون
قالب نانوالیاف کربنی کپسوله‌شده در نانولوله‌های کربنی(CNFs@CNTs) را شرح دهیم.
با این روش نانولوله‌های کربنی تجاری کم‌کیفیت و ارزان تبدیل به مواد الکترودی با
عملکرد عالی می‌شوند. در مقایسه با نانولوله‌های کربنی تک‌جداره، نانولوله‌های
کربنی مورد استفاده ما، مساحت سطح کمتر، قطر بیرونی بزرگ‌تر(۵۰ تا ۲۰۰ نانومتر)، و
دیواره‌های ضخیم‌تری(۵۰ تا ۱۰۰دیواره) دارند. تولید انبوه این نانولوله‌ها، قیمت
آنها را تا حد هر کیلوگرم ۵۰ دلار کاهش می‌دهد.
سو، رئیس گروه میکروساختار و میکروسکوپ الکترونی در مؤسسه فریتزهابر جامعه ماکس
پلانک در برلین، و همکارانش این طبقه جدید از نانومواد کربنی را ـ که خواص ساختاری
بی‌نظیری دارند ـ کشف کرده‌اند. این مواد به‌واسطه خواص عالی خود، توان بالقوه
زیادی برای کاربردهایی در زمینه‌های جذب گاز، حفاظت محیط زیست، پیل‌های سوختی،
کاتالیز، ذخیره هیدروژن و غیره دارند.
سو توضیح می‌دهد که این نانوالیاف کپسوله‌شده در نانولوله‌های کربنی، به‌واسطه
ترسیب انتخابی یک فلز فعال روی دیواره داخلی نانولوله‌های کربنی، تولید شدند. وجود
این فلز فعال امکان رشد نانوالیاف کربنی را با روش ترسیب بخار شیمیایی
کاتالیستی(CCVD)، فراهم کرد(شکل را ببینید) .
این پیش‌ران فلز فعال کبالتِ داخل نانولوله‌های کربنی(Co@CNTs) حاوی ۵/۰ درصد وزنی
کبالت بود و با استفاده از یک نیروی موئینگی مبتنی بر روش‌های آغشته‌سازی مرطوب
ابتدایی، تولید شد. این محققان ابتدا لایه نازکی از محلول نیترات کبالت را ترجیحاً
روی سطح داخلی نانولوله‌های کربنی پراکنده کردند و پس از آن در مرحله احیای هیدروژن،
نانوذرات کبالت فلزی(با قطر متوسط ۶/۶ نانومتر) روی دیواره داخلی این نانولوله‌های
کربنی تشکیل شدند. این نانوذرات در مدت فرایند CCVD، به‌عنوان فاز فعال برای رشد
نانوالیاف کربنی در داخل این نانولوله‌ها عمل کردند.
این محققان متوجه شدند که این CNFs@CNTs با یک ساختار جدید نسبت به نانولوله‌ها،
به تنهایی تخلخل خیلی بهتری دارد. جیانک زانگ، از مؤسسه فریتزهابر و یکی دیگر از
این محققان، گفت:«تست‌های جذب فیزیکی نیتروژن نشان دادند که مساحت سطح ویژه و حجم
خلل و فرج به‌ترتیب از ۸۲ مترمربع بر گرم و ۱۷/۰ سانتی‌مترمکعب بر گرم به ۳۴۷
مترمربع بر گرم و ۶۱/۰ سانتی‌متر مکعب بر گرم افزایش یافته‌اند. بعد از فرایند CCVD،
افزایش کلی وزن حدود ۲۵ درصد بود که نشان‌دهنده استفاده بهینه از فضای داخل کانال‌های
توخالی نانولوله‌های کربنی و افزایش چگالی توده‌ای آنهاست.»
سو می‌گوید که در زمینه عملکرد ظرفیت بالای ذخیره لیتیوم، نانوالیاف کربنی کپسوله‌شده
در نانولوله‌های کربنی، نسبت به نانولوله‌ها به تنهایی، خیلی بهتر است. در مدت ۱۲۰
چرخه، ظرفیت برگشت‌پذیر الکترود نانوالیاف کربنی کپسوله‌شده در نانولوله‌های کربنی،
حدود۴۱۰ mAh بر گرم ثابت باقی ماند، ولی موقعی که این الکترود از نانولوله‌های
کربنی تجاری ساخته شد، ظرفیت آن به‌تدریج تا ۲۵۸ mAh کاهش یافت.
این محققان فکر می‌کنند که پایداری عالی این مواد شاید ناشی از یک اثر ممانعت فضایی
ساختار متراکمشان باشد که مانع نفوذ مولکول‌های الکترولیت در سراسر نقایص دیواره
می‌شود. محدودیت نانولوله‌های کربنی مانع ورقه‌ورقه شدن نانوالیاف کربنی در مدت
درج و خارج شدن یون‌های لیتیوم می‌شود؛ بنابراین پایداری این مواد بیشتر است. سو
اشاره می‌کند که عملکرد چرخه‌ای عالی نانوالیاف کپسوله‌شده در نانولوله‌های کربنی،
در ترکیب با ظرفیت ذخیره بالایشان، آنها را از مواد کربنی ـ که قبلاً گزارش شده‌اند؛
از قبیل نانولوله‌های کربنی چند‌جداره، نانوالیاف کربنی و کربن سخت ـ بسیار جذاب‌ترکرده‌است.
او اضافه می‌کند که روش ساخت ما می‌تواند برای دیگر مواد کربنی(کربن مِزومتخلخل،
کربن فعال، نانومخروط‌های کربنی و غیره)، نانولوله‌ها و نانوالیاف معدنی دو‌بعدی
تعمیم داده شود. اکنون این محققان روی چالش افزایش درجه گرافیتیزاسیون نانوالیاف
کربنی داخل نانولوله‌های کربنی کار می‌کنند. این می‌تواند به‌تدریج منجر به عملکرد
خیلی بهتر آنها در باتری‌های یون لیتیم شود، همچنین این مواد جدید کامپوزیتی کربنی
ممکن است در ذخیره هیدروژن کاربرد داشته باشند.
نتایج این تحقیق با عنوان«CNFs@CNTs: مواد کربنی عالی برای ذخیره انرژی
الکتروشیمیایی» در مجله Advanced Materials منتشر شده‌است.
