پژوهشگران آمریکایی با طراحی جدید، موفق به افزایش ظرفیت و بهبود عملکرد باتری‌های یون لیتیم شده‌اند. آنها از هسته‌هایی از جنس نانوذرات سیلیکون در آند استفاده کردند که درون پوسته‌ای از جنس کربن قرار دارد. با این کار ظرفیت باتری ۷ برابر افزایش می‌یابد.
افزایش ظرفیت و بهبود عملکرد باتری‌های یون لیتیم
باتری‌های یون لیتیم را می‌توان در دستگاه‌های مختلف از خودروهای الکتریکی گرفته تا تلفن‌های هوشمند پیدا کرد. امروزه تقاضا برای باتری‌هایی با ظرفیت بالا فزونی یافته است. برای پاسخ به این نیاز، محققان آزمایشگاه ملی نورث‌وست پاسیفیک به بررسی این باتری‌ها پرداختند تا بتوانند قابلیت انها را افزایش دهند.
باتری‌های یون لیتیم برای تولید الکتریسیته باید یون‌های لیتیم را از درون الکترولیت عبور دهند. در باتری‌هایی که کاملا شارژ شده، یون‌های لیتیم در کاتد ذخیره می‌شوند همانند اکسید کبالت لیتیم. وقتی باتری مورد استفاده قرار می‌گیرد، یون‌های لیتیم از کاتد خارج شده و از طریق الکترولیت به آند می‌رسند. در بیشتر باتری‌ها آند از جنس کربن است. محققان با استفاده از یک نوع آند جدید که شامل نانوذرات سیلیکون منفرد در پوسته کربنی است، طراحی جدیدی از این باتری‌ها را ارائه کردند، ساختار این آند شباهت زیادی به زرده درون پوسته تخم مرغ دارد.
در این طراحی جدید، یون‌های لیتیم از کاتد خارج شده و با عبور از الکترولیت، به‌درون پوسته کربنی نفوذ کرده و وارد سیلیکون می‌شود. سیلیکون می‌تواند ۱۰ برابر کربن یون لیتیم را ذخیره کند. با یک طراحی حساب شده و ارائه فضای مناسب به پوسته، می‌توان یون‌های زیادی از لیتیم روی سیلیکون قرار داد که با این کار سیلیکون متورم می‌شود اما به‌دلیل فضای مناسب اختصاص داده شده به آن، موجب ترکیدن پوسته کربنی نمی‌شود.
نتیجه چه می‌شود؟
با این طراحی جدید می‌توان باتری‌های یون لیتیمی ساخت که نسبت به باتری‌های تجاری فعلی هفت برابر انرژی بیشتری در خود ذخیره کرده و پیش از آن که دچار زوال و فرسودگی شود می‌تواند پنج برابر بیشتر از آنها فرآیند شارژ/دشارژ را انجام دهد. یکی از دلایل عملکرد خوب این سیستم آن است که در طراحی فعلی یک پوسته پایدار در آند وجود دارد، یک الکترولیت جامد فاز میانی، که این پایداری ماحصل تجزیه الکترولیت است. فرآیندی که این تیم تحقیقاتی ارائه کردند بسیار کارا بوده و می‌توان از آن در تولید انبوه استفاده کرد.
نتایج این تحقیق در قالب مقاله‌ای تحت عنوان A Yolk-Shell Design for Stabilized and Scalable Li-Ion Battery Alloy Anodes در نشریه Nano Letters به چاپ رسیده است.
