افزایش ظرفیت باتری یون لیتیم با استفاده از نانوبلورها

امروزه باتری‌های نقش مهمی در تلفن‌های همراه، خودروهای برقی و لپ‌تاپ‌ها ایفا می‌کنند. در این بین باتری‌های یون لیتیم به‌دلیل سبک بودن و توان تولید جریان الکتریسیته بالا گزینه مناسبی هستند. در حال حاضر محققان در سراسر جهان به‌دنبال نسل جدیدی از باتری‌ها هستند. در این راستا ماکسیم کوالنکو از آزمایشگاه شیمی معدنی در مرکز ETH زوریخ موفق به ارائه نانوموادی شده است که می‌تواند ظرفیت ذخیره‌سازی را در باتری‌های یون لیتیم افزایش دهد. نتایج این پژوهش در قالب مقاله‌ای تحت عنوان Monodisperse and Inorganically Capped Sn and Sn/SnO2 Nanocrystals for High-Performance Li-Ion Battery Anodes به چاپ رسیده است.

این نانوماده از بلورهای قلع بسیار ریزی تشکیل شده است که می‌تواند به‌عنوان قطب منفی باتری (آند) مورد استفاده قرار گیرد. زمانی که باتری‌های شارژ می‌شوند، یون‌های لیتیم جذب این الکترود می‌شوند درحالی که هنگام دشارژ شدن این یو‌ن‌ها مجددا آزاد می‌شوند. در صورتی که یون‌های لیتیم بیشتری در الکترود جذب و آزاد شوند، باتری‌ها انرژی بیشتری ذخیره خواهند کرد. 

استفاده از قلع ایده بسیار مناسبی است هر اتم قلع می‌تواند حداقل چهار یون لیتیم را جذب کند. مشکل قلع این است که حجم این عنصر در الکترود تغییر می‌کند به‌طوری که با جذب یون لیتیم حجم آن سه برابر بیشتر شده و در هنگام رهاسازی دوباره به حالت اول باز می‌گردد. برای حل این مشکل محققان از نانوبلورهای قلع استفاده کردند که درون ساختاری متخلخل قرار دارد. این ساختار اسفنجی هدایت الکتریکی نیز دارد. تولید نانوبلورهای کوچک کاری چالش برانگیز بود بنابراین محققان کار تولید را در دو فاز انجام دادند. در مرحله اول ذرات بسیار کوچک را ایجاد کرده و سپس آنها را تا ابعاد دلخواه رشد دادند. با تغییر دما و زمان تولید، پژوهشگران توانستند ابعاد بلورها را کنترل کنند. محققان این پروژه معتقدند که این اولین باری است که بلورهای کوچک قلع با دقت بالایی تولید می‌شود.

محققان این پروژه با استفاده از نانوبلورهای قلع، کربن و عامل متصل کننده موفق به تولید الکترودهای مختلفی برای باتری‌های یون لیتیم شدند. نتایج تست این باتری‌ها نشان داد که قدرت ذخیره سازی آنها دو برابر بیشتر از باتری‌های معمولی است. این گروه تحقیقاتی معتقد است که ابعاد نانوبلورها در چند شارژ و دشارژ اولیه تاثیری روی ظرفیت ذخیره سازی ندارد اما بعد از گذشت زمان این تفاوت آشکار خواهد شد.