پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر با ترکیب همزمان قلع و گرافن نیتروژندار در ساختار کاتد باتری لیتیومیونی، راهکاری برای افزایش ظرفیت، رسانایی و پایداری چرخهای این باتریها ارائه کردهاند؛ فناوریای که میتواند زمینه تولید کاتدهای کمهزینه و بومی برای خودروهای برقی و سامانههای ذخیره انرژی را فراهم کند.
به گزارش سیناپرس، دانشگاه صنعتی امیرکبیر اعلام کرد صبا زمردی دانشآموخته دکتری با هدایت و راهنمایی پیروز مرعشی و زهرا صادقیان از اعضای هیئت علمی این دانشگاه و پژوهشگاه صنعت نفت، طرحی را با عنوان «بررسی تأثیر دوپینگ قلع (Sn⁴⁺) در نانوکامپوزیت Li₂FeSiO₄/گرافن دوپشده با نیتروژن بر خواص الکتروشیمیایی باتریهای لیتیوم-یون» را اجرایی کردند.
زمردی با اشاره به کاربردهای وسیع باتریهای لیتیوم-یونی گفت: این باتریها امروزه در خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی و ذخیره انرژی نقش حیاتی دارند ولی یکی از مشکلات اصلی این باتریها، ظرفیت محدود و ناپایداری ساختار کاتد در طول شارژ و دشارژ است.
وی افزود: مواد پایه سیلیکات آهن (LFS) به دلیل پایداری بالا و قیمت پایین فلزاتشان بسیار جذاباند، اما رسانایی پایین الکتریکی و یونی، عملکرد آنها را محدود میکند. از این رو این تحقیق هدف این تحقیق رفع این مشکل با اصلاح ساختار کاتد از طریق دوپینگ قلع و ترکیب با گرافن دوپشده با نیتروژن بوده است تا هم ظرفیت باتری و هم پایداری آن در طول دفعات شارژ و دشارژ افزایش یابد.
زمردی با اشاره به نتایج به دست آمده از این تحقیق اظهار کرد: این پژوهش موفق شد ظرفیت و پایداری چرخهای کاتد LFS را بهصورت چشمگیری افزایش دهد. استفاده از دوپینگ همزمان قلع و گرافن نیتروژندار در کاتد LFS به عنوان یک هنر مهندسی بهبود ساختار، باعث افزایش رسانایی الکتریکی و تسهیل انتقال یونهای لیتیوم شد.
به گفته وی اهمیت این طرح در آن است که میتواند مسیر را برای ساخت کاتدهای بومی با عملکرد بالا هموار کند و در آینده برای تجاریسازی باتریهای لیتیومیونی ایرانی با هزینه کمتر و کارایی بالاتر و تولید اسانتر مورد استفاده قرار گیرد.
این دانشآموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر با اشاره به روند اجرای این طرح خاطرنشان کرد: ابتدا ماده فعال کاتدی با ترکیبات اولیه شامل نمک لیتیوم و ترکیبات آهن با روش ساده و سریع حالت جامد سنتز شدند و دوپاند قلع در جایگاه مهندسی شده ساختار دوپ شد. سپس نانوکامپوزیت حاصل با گرافن دوپشده با نیتروژن ترکیب شد تا ساختار رسانای یونی و الکترونی اصلاح شده ایجاد شود.
زمردی با بیان اینکه در مرحله بعد، نمونهها با دستگاههای مشخصه یابی دقیق همچون XRD، SEM، FTIR، و XPS و Raman و .. و آزمونهای الکتروشیمیایی (CV و EIS و چرخه پذیری در صد چرخه شارژ و دشارژ) مورد بررسی قرار گرفتند، تا تغییرات ساختاری و عملکردی ارزیابی شوند، اضافه کرد: دشوارترین بخش پروژه، کنترل دقیق فرآیند دوپینگ و جلوگیری از تشکیل فازهای ناخواسته در ساختار LFS بود. این کار نیاز به تنظیم دقیق دما، زمان با ایجاد یک روش تولید اصلاح شده با ترکیب مواد اولیه متفاوت داشت تا خواص الکتروشیمیایی بهینه با بالاترین خلوص حاصل شود.
وی نتایج این تحقیق را قابل کاربرد در صنعت تولید باتریهای لیتیومیونی، بهویژه برای خودروهای برقی و ذخیرهسازهای انرژی تجدیدپذیر دانست، یادآور شد: همچنین میتواند در توسعه باتریهای بومی با هزینه کمتر و ایمنی بالاتر مورد توجه شرکتهای داخلی قرار گیرد.
زمردی افزود: بخشی از این تحقیق در قالب مقالهای با عنوان“Synergistic enhancement of Li₂FeSiO₄ cathode material via Sn(IV) and nitrogen-doped rGO co-doping strategy for lithium-ion batteries”به ژورنال Springer* ارسال شده است. تازگی این کار در استفاده همزمان از دو عامل بهبوددهنده (Sn⁴⁺ و گرافن N-دوپشده) و اثر همافزایی آنها بر عملکرد کاتد است و تولید ماده کاتدی اولیه LFS. با خلوص بالا است. هچنین دستاوردهای دیگر این پروژه در ژورنال AUT Journal of mechanical engineering و اولین کنفرانس بینالمللی باتریهای یون لیتیوم LBC ۲۰۲۴ در قالب سخنرانی اطلاعرسانی شد. مقالات دیگر نیز با عنوان هنر مهندسی اصلاح ساختار نهایی این نانوکامپوزیت در دست ارسال قرار دارد.
به گفته وی رسانایی الکتریکی و یونی افزایشیافته،ظرفیت ویژه بالا نزدیک به مقدار مطرح شده تئوری و پایداری چرخهای ممتاز، ایمنی حرارتی بالا، استفاده از مواد کمهزینه و فراوان در طبیعت، سهولت و سرعت در تولید ماده اولیه کاتدی، سازگار با محیط زیست را از مزایای این طرح عنوان کرد.
زمردی خاطر نشان کرد: استفاده از روشهای سنتز کمهزینه و سریع و قابل توسعه صنعتی، ارتقای راندمان باتری بدون نیاز به فلزات گرانقیمت، قابلیت تولید بومی با مواد اولیه داخلی، بهبود چشمگیر پایداری و ظرفیت باتری نسبت به نمونههای مرجع از مزایای این طرح است.
وی با اشاره به کاربردهای این طرح گفت: خودروهای برقی و هیبریدی، سیستمهای ذخیره انرژی خورشیدی و بادی، تجهیزات الکترونیکی قابل شارژ، پاوربانکها و ابزارهای صنعتی و هر وسیلهای که با باتریهای قابل شارژ مجدد کار میکنند از زمینههای کاربرد این محصول به شمار میرود.