باتری های قابل شارژ مجدد با نانومواد لایه لایه ساخته می شود
یکی از محققین دانشگاه ایالت کانزاس، راه حل های موثرتری را برای صرفه جویی در هزینه، زمان و انرژی در تولید باتری های نانومتریال ها و یون لیتیوم یافته است.
به گزارش گروه اخبار خارجی آژانس خبری فناوری اطلاعات و ارتباطات (ایستنا)، گورپیریت سینگ، استادیار مهندسی مکانیک و هسته ای و تیم تحقیقاتی وی در دو مقاله منتشر شده اخیر خود روش های جدیدتر، ارزان تر و سریعتر تولید نانومتریال هایی که می توانند برای باتری های یون لیتیوم مورد استفاده قرار گیرد را معرفی کرده اند. سال گذشته، از سینگ 8 مقاله منتشر شد که 5 مقاله آن به تحقیقات باتری یون لیتیوم مرتبط بود.
به گفته سینگ، گروه وی به دنبال روش های جدید برای پیوند سریع و ارزان قیمت مواد دو بعدی برای ساخت باتری قابل شارژ است.
سینگ دلیل علاقمندی وی و گروهش را به این تحقیقات به دلیل پی بردن به این است که فعل و انفعال لیتیوم با موادی با ضخامت یک، دو یا چند لایه در نهایت به طراحی الکترودهای باتری برای کارکردهای عملی منجر خواهد شد که شامل باتری هایی با ظرفیت بیشتر و عمر طولانی و کارآمدتر می شود.
تیم تحقیقاتی سینگ در آخرین تحقیق خود فیلم های گرافن تولید کرده اند که ضخامتی بین 2 تا 10 لایه دارند. گرافن ورقه ای با ضخامت اتم از جنس کربن است. محققان فیلم های گرافن را برروی ورقه های مس و نیکل با حرارت دادن سریع به آنها در کوره با حضور میزان کنترل شده از گازهای آرگون، هیدروژن و متان به وجود آورده اند. این تیم توانست این فیلم ها را در کمتر از 30 دقیقه تولید کند. کار تحقیقاتی این تیم در شماره ماه ژانویه ACS-Applied Materials and Interfaces در مقاله ای با عنوان "پیوند فیلم های گرافن با حرارت سریع و خنک کردن آن ها در فشارهای پیرامون و مشخصات الکترومکانیکی آنها" منتشر شده است.
این تحقیق از آنجایی از اهمیت برخوردار است که محققان تیم سینگ توانسته اند این ورق های گرافنی را به حرارت دهی سریع و سردکردن زیرلایه های مس و نیکل در فشارهای اتمسفری تولید کننده، یعنی دیگر نیازی به خلاء برای ایجاد فیلم های گرافنی با ضخامت چند لایه وجود نخواهد داشت که این امر می تواند به صرفه جویی در انرژی، زمان و هزینه کمک کند.
محققان از این فیلم های گرافنی برای تولید الکترود منفی یک سلول یون لیتیوم استفاده کرده و مشخصات شارژ و تخلیه الکتریکی این باتری قابل شارژمجدد را مورد مطالعه قرار داده اند. براساس یافته های آنها فیلم های گرافنی که برروی مس شکل گرفته اند یون های لیتیوم را به چرخش در نیاورده و در نتیجه ظرفیت باتری ناچیز است. اما گرافن شکل گرفته برروی نیکل عملکرد بهتری را نشان داد چرا که توانست یون های لیتیومی را به طور موثرتری ذخیره و آزاد کند.
در پروژه تحقیقاتی دوم، محققان نانوصفحه های تنگستن دی سولفید را تولید کرده اند که ضخامت آن 10 لایه است. این تیم تحقیقاتی توانست با توده ای از پودر تنگستن دی سولفید که نوعی روان ساز خشک مورد استفاده در صنعت خودروسازی است توانست صفحه هایی با ضخامت لایه های اتمی مجزا از تنگستن دی سولفید را در یک حلال اسیدی قوی تولید کند. این روش ساده می تواند تولید صفحه های بزرگ را امکان پذیر کند. همانند گرافن، تنگستن دی سولفید نیز دارای ساختار اتمی لایه لایه است، اما لایه های منفرد دارای ضخامت 3 اتم است.
یافته های محققان نشان می دهد این صفحه های تنگستن دی سولفید تحت تاثیر اسید نیز می تواند یون های لیتیومی را ذخیره و آزاد کند اما به روشی متفاوت. لیتیوم از طریق یک واکنش تبدیل که در آن تنگستن دی سولفید برای شکل دادن تنگستن گسسته می شود ذخیره می شود و لیتیوم سولفید به صورت یک سلول تخلیه می شود. برخلاف گرافن، این واکنش شامل انتقال حداقل 2 الکترود به ازای هر اتم تنگستن می شود. این امر از آن جهت اهمیت دارد که محققان مدت های طولانی چنین ترکیب هایی را به عنوان آندهای باتری به دلیل دشواری مربوط به افزودن لیتیوم به این مواد نادیده گرفته اند. اخیرا آندهای باتری مبتنی بر واکنش تبدیل باتری رواج یافته است.
نتایج این تحقیقات در شماره جدید در نشریه Physical Chemistry Letters در مقاله ای با عنوان "پیوند نانو صفحه های WS2 سطح عملیاتی شده و عملکرد به عنوان آندهای باتری یون لیتیوم" منتشر شده است.
هر دو پروژه از آن جهت اهمیت دارند که می توانند به دانشمندان در تولید نانومواد به روشی ارزان قیمت کمک کند. درحالی که تحقیقات بسیاری با تمرکز بر ساخت گرافن با استفاده از فرآیندهای شیمیایی فشار پایین انجام شده است، تحقیقات کمی با استفاده از حرارت دهی سریع و سرد کردن در فشارهای اتمسفری صورت گرفته است.