نوع جدیدی از آند مبتنی بر سرب در نسل بعدی باتری‌های لیتیومی استفاده خواهد شد

باتری‌های لیتیوم یون انرژی را برای همه دستگاه‌ها، از تلفن‌های هوشمند گرفته تا لپ‌تاپ‌ها و خودروهای الکتریکی تامین می‌کنند. دانشمندان در سراسر جهان به دنبال اجزای جدید و بهبود یافته برای تولید باتری های بهتر برای این کاربردها و سایر کاربردها بوده اند.

دانشمندان آزمایشگاه ملی Argonne وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) الکترود جدیدی را گزارش کرده اند که برای باتری های لیتیوم یونی با استفاده از مواد ارزان قیمت مانند سرب و کربن طراحی شده است. مشارکت کنندگان در این کشف مهم همچنین شامل دانشمندانی از دانشگاه نورث وسترن، آزمایشگاه ملی بروکهاون و موسسه ملی علم و فناوری اولسان (UNIST) هستند.

Eungje Lee، نویسنده ارشد و دانشمند مواد علوم و مهندسی شیمی (CSE) در دانشگاه Argonne، اظهار داشت: "تحقیق ما پیامدهای هیجان انگیزی برای طراحی باتری های لیتیوم یونی کم هزینه، با کارایی بالا و پایدار دارد که می توانند انرژی هیبریدی را تامین کنند. و تمام وسایل نقلیه برقی."

اصل کار باتری های لیتیوم یون این است که یون های لیتیوم را در حین شارژ وارد آند می کنند و در هنگام تخلیه آن ها را خارج می کنند. آند گرافیتی فعلی می تواند هزاران چرخه تخلیه بار را پشت سر بگذارد، اما به نظر می رسد که از نظر ظرفیت ذخیره انرژی به حد خود رسیده است.

لی گفت: "ما تصمیم گرفتیم سرب را به عنوان جایگزینی برای گرافیت به عنوان ماده آند مطالعه کنیم. سرب از جذابیت خاصی برخوردار است زیرا هم ارزان و هم ارزان است. علاوه بر این، به دلیل سابقه طولانی باتری های سرب اسید نیروی کمکی برای خودروها فراهم می کند. این ماده دارای یک زنجیره تامین کامل است و یکی از بازیافت‌شده‌ترین مواد در جهان است، نرخ بازیافت سرب در حال حاضر 99 درصد است.

لی افزود: «آند جدید ما می‌تواند منبع درآمد جدیدی برای صنعت بزرگی باشد که در حال حاضر در تولید و بازیافت باتری‌های اسید سرب مشغول است.»

آند این تیم یک صفحه سربی معمولی نیست، بلکه ذرات میکروسکوپی بی‌شماری با ساختارهای پیچیده است: نانوذرات سرب که در یک ماتریس کربن جاسازی شده‌اند و توسط یک پوسته نازک از اکسید سرب احاطه شده‌اند. اگرچه این ساختار پیچیده به نظر می رسد، این تیم یک روش تولید ساده و کم هزینه را اختراع کرده است.

کریستوفر جانسون، محقق اصلی این پروژه و محقق برجسته در Argonne، CSE توضیح داد: "روش ما شامل مخلوط کردن ذرات بزرگ اکسید سرب با پودر کربن و نوسان برای چندین ساعت تا تشکیل ذرات میکروسکوپی با ساختار هسته-پوسته مورد نظر است."

آزمایش‌های انجام‌شده در باتری‌های آزمایشگاهی با بیش از 100 چرخه تخلیه شارژ نشان داده‌اند که ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی آند نانوکامپوزیت جدید مبتنی بر سرب دو برابر آند گرافیت فعلی (استاندارد شده برای همان وزن) است. عملکرد پایدار در طول فرآیند چرخه امکان پذیر است، زیرا اندازه ذرات کوچک می تواند استرس را کاهش دهد، در حالی که ماتریس کربن رسانایی مورد نیاز را فراهم می کند و به عنوان یک بافر برای جلوگیری از آسیب به انبساط حجم در طول فرآیند چرخه عمل می کند. تیم تحقیقاتی همچنین دریافتند که افزودن مقدار کمی فلورواتیل کربنات به الکترولیت استاندارد به طور قابل توجهی عملکرد را بهبود می بخشد.

محققان مکانیسم‌های شارژ و تخلیه آند را در مرکز منبع تابش پیشرفته GeoSoilEnviro (GSECARS) که توسط دانشگاه شیکاگو واقع در آرگونا، دفتر تسهیلات کاربری علوم DOE اداره می‌شود، مورد مطالعه قرار دادند. از طریق پراش اشعه ایکس سنکروترون، آنها قادر به ردیابی انتقال فاز مواد الکترود منفی در طول شارژ و تخلیه هستند. این نتایج مشخص‌سازی، همراه با نتایج جمع‌آوری‌شده توسط مرکز مشخصه‌سازی اتمی و نانومقیاس دانشگاه نورث‌وسترن و تأسیسات کاربر DOE National Synchrotron Light Source II در بروک‌هاون، واکنش‌های الکتروشیمیایی را که بین یون‌های سرب و لیتیوم در طول شارژ و تخلیه رخ می‌دهد، نشان می‌دهد. قبلا ناشناخته

لی گفت: "این بینش اساسی ممکن است برای درک مکانیسم واکنش بین آندهای سرب و سیلیکون مهم باشد."

آند سیلیکون یکی دیگر از گزینه های کم هزینه و با کارایی بالا برای نسل بعدی باتری های لیتیوم یون است.

جانسون گفت: "کشف ما درک فعلی این ماده الکترود را به چالش می کشد." کشف ما همچنین مفاهیم هیجان انگیزی را برای طراحی مواد آندی کم هزینه و با کارایی بالا برای حمل و نقل و ذخیره انرژی ثابت، مانند منابع برق پشتیبان برای شبکه برق، ارائه می دهد. "

مقاله این تیم در Advanced Functional Materials اخیرا منتشر شده است.