تورم سیلیکون در آند باتری یون‌لیتیم یکی از مشکلات این نوع باتری‌ها است. محققان با نوآوری، سیلیکون را با نانولوله‌کربنی و کربن ترکیب کرده و ساختاری ارائه کردند که می‌تواند به‌عنوان آند استحکام بالایی داشته باشد.
چگونه مشکل تورم سیلیکون در باتری‌ها با نانولوله‌کربنی حل شد؟
محققان آزمایشگاه ملی نورث‌وسترن پاسیفیک (PNNL) میکروکره‌های سیلیکون حاوی نانولوله‌کربنی ساختند که قابلیت استفاده در آند باتری یون‌لیتیم را دارد.
سیلیکون یک ماده جذاب برای ساخت آند در باتری‌های یون‌لیتیم است، زیرا می‌تواند حدود ده برابر بار الکتریکی بیشتر نسبت به گرافیت در هر گرم، نگه دارد. با این حال، سیلیکون دچار تغییر حجم زیادی در حین فرایند جذب لیتیم و رهایش لیتیم می‌شود که این موضوع در نهایت موجب بروز مشکلات ساختاری در آند می‌شود.
نانوساختار سیلیکون می‌تواند با مهاجرت درون باتری موجب بروز مشکلاتی شده و به عملکرد الکتروشیمیایی باتری آسیب بزند.
برای حل این مشکل، محققان آزمایشگاه ملی نورث‌وسترن پاسیفیک نانوساختاری ارائه کردند که می‌تواند بسط و تورم سیلیکون را محدود کند. این گروه ساختاری حاوی نانولوله‌کربنی، سیلیکون و کربن (CNT@Si@C) ایجاد کردند که به‌صورت سلسله مراتبی روی هم قرار گرفته و از تخلخل بالایی برخوردار هستند.
این ساختار که به‌صورت میکروکره است، استحکام بالایی دارد و در هنگام جذب لیتیم به‌صورت محدود متورم می‌شود.
میکروکره‌های سیلیکونی دارای استحکام مکانیکی قابل توجهی هستند که دلیل این امر، وجود نانولوله‌های کربنی است که موجب می‌شود تا این میکروکره‌ها ساختاری شبیه به بافته‌هایی از جنس کره پیدا کنند.
نتایج این پژوهش در نشریه Nature Communications به چاپ رسیده است.
در این مقاله، محققان نشان دادند که الکترودهای ساخته شده با این میکروکره‌ها می‌تواند به افزایش ظرفیت انرژی باتری یون لیتیم ختم شود، باتری‌هایی که قابلیت استفاده در خودروهای الکترونیکی و دیگر تجهیزات برقی را دارند.
محققان با کنار هم قرار دادن این میکروکره‌ها که ابعادی در حد ۸ میکرومتر دارند، ساختار سیلیکونی متخلخل ساختند.
جیسون ژانگ، از محققان این پروژه می‌گوید: «یک ماده صلب مثل سنگ، اگر متورم شود شکسته می‌شود، اما ساختار اسفنج مانند، با جذب مواد در داخل خود متورم نمی‌شود.»
این الکترود سیلیکونی متخلخل با جذب دو برابر بار بیشتر نسبت به گرافیت، کمتر از ۲۰ درصد تورم را تجربه می‌کند. این ساختار برخلاف سیلیکون متخلخل، استحکام مکانیکی بالایی از خود به نمایش می‌گذارد که دلیل آن، وجود نانولوله‌های کربنی است.
