بهبود عملکرد و سبک‌سازی باتری‌های لیتیومی با تهیه الکترودهای نانو کامپوزیت‌

پژوهشگران دانشگاه امیرکبیر در قالب رساله دکتری به نانو کامپوزیت‌هایی دست یافتند که کاربرد آن در باتری‌های قابل شارژ لیتیومی موجب بهبود سیکل پذیری و عملکرد الکتروشیمیایی آن‌ها می‌شود.

به گزارش قطره به نقل از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، فاطمه پورصالحی دانش آموخته مقطع دکتری با هدایت و راهنمایی دکتر مهران جوانبخت و مشاوره دکتر احمد احمدی دریاکناری طرح تحقیقاتی با عنوان «بهبود عملکرد باتری‌های لیتیومی با تهیه الکترودهای نانوکامپوزیتی پیشرفته به روش ترسیب الکتروفورتیک» را اجرا کردند.

پورصالحی علت انتخاب این روش را سبک کردن باتری‌های لیتیومی و حذف برخی مواد شیمیایی دانست و گفت: روش متداول در تهیه الکترود باتری‌های لیتیومی شامل تهیه دوغاب با گرانروی بالا از مواد الکترودی و سپس لایه نشانی آنها با تیغه بر سطح جمع کننده جریان و در نهایت تبخیر حلال است که این روش علاوه بر داشتن معایبی همچون استفاده از حلال سمیNMP، هزینه و زمان فرآیند بالایی را شامل می‌شود.

وی بومی‌سازی دانش فنی تهیه الکترودهای کاتدی باتری‌های لیتیومی با روش ترسیب الکتروفورتیک را از دستاوردهای مهم این پژوهش عنوان کرد و ادامه داد: در این راستا، نسبت به روش متداول و صنعتی لایه نشانی الکترودها، روش پیشنهادی منجر به کاهش هزینه‌ها با حذف مواد شیمیایی سمی NMP و PVDF، ساده‌سازی فرآِیند و تجهیزات و کاهش انرژی و زمان ساخت الکترودها در مقیاس آزمایشگاهی می‌شود.

این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر اضافه کرد: به کارگیری الکترودهای نانوکامپوزیتی تهیه ‌شده با ساختار پیشرفته نسبت به الکترودهای متداول در باتری‌های لیتیومی منجر به بهبود سیکل پذیری و عملکرد الکتروشیمیایی می‌شود.

وی به بیان فرآیند اجرای این پروژه پرداخت و اظهار کرد: در این پروژه ما با اعمال جریان الکتریسیته به سوسپانسیون پایدار از اجزا الکترودی (روش ترسیب الکتروفورتیک) و بهینه سازی متغیرها، موفق به دستیابی به پوششی یکنواخت از اجزا بر سطح جمع کننده جریان شدیم و همچنین در ادامه پژوهش با حذف بایندر PVDF، الکترودهای سبک‌تر، کم هزینه‌تر و با ساختار منسجم و یکپارچه دست پیدا کردیم. بدین منظور از کربن نانوتیوب چند جداره و صفحات گرافن سولفونه با سطح تماس بالا استفاده کردیم که بتوانند علاوه بر نقش هادی الکتریسیته، نقش بایندر را نیز در ساختار الکترود ایفا کنند.

پورصالحی اظهار کرد: پس از بهینه سازی‌های ذکرشده، الکترودهای کامپوزیتی پیشرفته حاوی کربن نانوتیوب و یا گرافن سولفونه در یک مرحله با کمک روش ترسیب الکتروفورتیک تهیه و بهبنه شد.

وی با بیان اینکه الکترودهای تهیه ‌شده در باتری‌های قابل شارژ لیتیومی مورد استفاده قرار گرفتند، ادامه داد: این رساله دکتری در بخش‌های متعددی انجام شد که بخش اول شامل کسب دانش فنی تهیه الکترودهای کاتدی با روش ترسیب الکتروفورتیک و مقایسه ویژگی‌ها، ساختار و عملکرد آنها با الکترودهای متداول تجاری است. در بخش دوم به دنبال حذف بایندر PVDF از ساختار الکترودها بودیم.

این محقق اضافه کرد: نوآوری این بخش در استفاده از جایگزین کردن افزودنی هادی متداول کربن بلک با نانولوله های کربنی MWCNT است که علاوه بر هدایت الکتریکی بالا، می‌توانند نقش بایندر را ایفا کنند.

به‌گفته وی نتایج بخش اول و دوم این رساله در ژورنال Journal of the Electrochemical Society/ انتشارات IOP در سال 2023 منتشر شد.

در بخش سوم این رساله نیز الکترودهای کامپوزیتی حاوی گرافن سولفونه و گرافن سولفونه/کربن بلک تهیه و مقایسه شدند که در تهیه این کامپوزیت ها با کمک صفحات گرافن و استفاده از روش ترسیب الکتروفورتیک، مواد فعال الکترودی دربرگرفته شده با صفحات گرافن با هدایت الکتریکی بالا تهیه شدند. علاوه بر این، ذرات کربن بلک و گروه¬های سولفونه مورد استفاده در تهیه ساختار کامپوزیتی به افزایش عمر باتری¬های لیتیومی کمک کردند. نتایج این بخش از رساله اخیرا در ژورنال Electroanalytical chemistry انتشارات الزویر منتشر شده است.

لازم به ذکر است پیش از شروع این رساله دکتری طی یک طرح تحقیقاتی، عملکرد باتری های لیتیومی را با تهیه الکترودهای کامپوزیتی برپایه نانوصفحات گرافن به کمک روش الکتروفورتیک بهبود یافت که نتایج آن در ژورنال Solid state chemistry / انتشارات الزویر در سال 2020 به چاپ رسید.