محققان برای افزایش چگالی باتری‌های یون لیتیم، تلاش‌های بسیاری در جهت توسعه نانوساختارهای جدیدی از مواد الکترود می‌کنند؛ برای مثال قلع فلزی نانوساختار اخیراً به‌عنوان مواد آند باتری‌های یون لیتیم با چگالی انرژی بالا، به‌طور گسترده‌ای مورد مطالعه قرار گرفته‌است. هم‌اکنون محققان چینی نانوذرات قلعی تهیه کرده‌اند که در کره‌های کربنی توخالی قابل ارتجاع کپسوله شده‌اند. این نانوکامپوزیت مبتنی بر قلع، به‌عنوان مواد آند در باتری‌های یون لیتیم، ظرفیت ویژه بالا و عملکردی عالی از خود نشان می‌دهد.
بهبود عملکرد باتری یون لیتیم با کمک فناوری‌نانو
محققان برای افزایش چگالی باتری‌های یون لیتیم، تلاش‌های بسیاری در جهت توسعه
نانوساختارهای جدیدی از مواد الکترود می‌کنند؛ برای مثال قلع فلزی نانوساختار اخیراً
به‌عنوان مواد آند باتری‌های یون لیتیم با چگالی انرژی بالا، به‌طور گسترده‌ای مورد
مطالعه قرار گرفته‌است. هم‌اکنون محققان چینی نانوذرات قلعی تهیه کرده‌اند که در
کره‌های کربنی توخالی قابل ارتجاع کپسوله شده‌اند. این نانوکامپوزیت مبتنی بر قلع،
به‌عنوان مواد آند در باتری‌های یون لیتیم، ظرفیت ویژه بالا و عملکردی عالی از خود
نشان می‌دهد.
لی- جون وان، یکی از این محققان، توضیح داد:« قلعِ فلزی، به سه دلیل عمده برای
باتری‌های لیتیم، یک ماده آند بسیار نویدبخش به شمار می رود: اولاً ظرفیت ویژه
تئوری آن خیلی بیشتر از ظرفیت گرافیت مرسوم است؛ ثانیاً آند قلعی، نسبت به گرافیت
ولتاژ عملیاتی بالاتری دارد و بنابراین کمتر واکنش‌پذیر است و می‌تواند ایمنی باتری‌ها
را در مدت چرخه شارژ/تخلیه‌سریع بهبود بخشد؛ و ثالثاً، یک مزیت مهم قلع فلزی بر
گرافیت این است که قلع فلزی به هیچ وجه با مشکل درج حلال که باعث اتلاف غیر بازگشت‌پذیر
بار می‌شود، مواجه نمی‌شود. متأسفانه بزرگ‌ترین چالش برای به‌کارگیری قلع فلزی به‌عنوان
مواد آند فعال قابل کاربرد، تغییرات زیاد حجم آن در مدت چرخه اتصال/ جدا شدن
لیتیم است، این تغییرات منجر به پودر شدن تدریجی آند و افت خیلی سریع ظرفیت می‌شود.»
وان، مدیر مؤسسه شیمی در آکادمی علوم چین(CAS) در پکن و همکارانش این نانوکامپوزیت
کربنی جدید را به‌عنوان یک ماده آند نویدبخش برای باتری‌های یون لیتیم کارامد شرح
داده‌اند. وان گفت: « نه تنها این یک مثال جالب از نانوساختار کردن مواد الکترود
برای باتری‌های یون لیتیم است، بلکه این راهبرد می‌تواند با استفاده از کره‌های
کربنی توخالی قابل ارتجاع، به‌عنوان ظرف و سِپَر، برای دیگر مواد آند و کاتد تعمیم
یابد.»
این محققان موفق به طراحی نانوساختاری جدید از مواد آند مبتنی بر قلع شده‌اند که از
آن برای حل مشکل افت ظرفیت آن استفاده می‌شود. مادهکامپوزیتی این محققان از
نانوذرات قلعی تشکیل شده‌است که داخل ظروف کربنی توخالی قرار داده شده‌اند، در
نتیجه نانوذرات قلع با کره‌های کربنی توخالی قابل ارتجاع(TNHCs) کپسوله شده‌اند.
این مواد کامپوزیتی با احیای در جای کره‌های توخالی اکسید قلع به‌وسیله روکش کربنی،
تهیه شده‌اند. ابتدا کره‌های اکسید قلع طبق روش استوبر تهیه، سپس برای تهیه کره‌های
توخالی به‌عنوان قالب استفاده شدند.
در مرحله اول اکسید قلع چند بلوری برای تشکیل پوسته‌های یکنواخت، روی کره‌های دی
اکسید سیلیکون رسوب داده شدند، سپس برای دستیابی به کره‌های توخالی، هسته‌های
آنها اچ(etch)، وبعد از آن، لایه‌های کربنی روی سطح خارجی این کره‌ها روکش شدند و
در نهایت این محصول خشک شد و برای کربونیزه کردن پوسته کربنی آن، عملیات حرارتی روی
آن انجام شد. در طی این عملیات حرارتی، پوسته‌های اکسید قلع داخلی نیز به قلع فلزی
احیا شده و نانوذرات قلع کپسوله‌شده در کره‌های کربنی توخالی قابل ارتجاع، تشکیل
شدند.
این مواد کامپوزیتی ـ که دارای اندازه قطر یکنواختی حدود ۵۰۰ نانومتر هستند ـ
نانوذرات قلع را با قطر کمتر از صد نانومتر در یک کره کربنی توخالی نازک با ضخامت
فقط ۲۰ نانومتر، کپسوله می‌کنند. گنجایش قلع در این مواد نانوکامپوزیتی بیش از ۷۴
درصد وزنی است. این گنجایش به‌صورت نظری منجر به ظرفیت ویژه بالای ۸۳۱ میلی‌آمپر
ساعت بر گرم می‌شود، همچنین نانوذرات قلع فلزی کپسوله‌شده، به‌واسطه پوسته کربنی
توخالی تغییرات حجم را تا حدود ۸۰-۷۰ درصد تحمل می‌کنند.
وان توضیح داد که قابلیت ارتجاع پوسته نازک کروی کربنی به‌طور مؤثری تغییر حجم
نانوذرات قلع را ـ که به‌واسطه اتصال و جدا شدن لیتیم به آنهاست ـ خنثی می‌کند؛
بنابراین از پودر شدن الکترود ـ که یکی از موانع اصلی استفاده از قلع فلزی به‌عنوان
الکترود در باتری‌های یون لیتیم است ـ جلوگیری می‌کند. در نتیجه این نوع
نانوکامپوزیت مبتنی بر قلع ـ که دارای ظرفیت ویژه بسیار بالا(بیش از ۸۰۰ میلی‌آمپر
ساعت بر گرم در ده چرخه اولیه و بیش از ۵۵۰ میلی‌آمپر ساعت بر گرم بعد از صدمین
چرخه) و بازده چرخه عالی نیز است، توان بالقوه زیادی را به‌عنوان مواد آند در باتری‌های
یون لیتیم از خود نشان می‌دهد.
به عقیده این محققان که نتایجشان راهبرد استفاده از کره‌های کربنی توخالی ارتجاعی
را به‌عنوان سِپَر و ظرف، به‌خوبی شرح می‌دهد و این راهبرد می‌تواند برای دیگر مواد
آند و کاتد نیز تعمیم داده شود.
نتایج این تحقیق در مجله Advanced Materials منتشر شده‌است.
