افزایش ظرفیت باتری‌های یون لیتیوم با نانوساختارهای سیلیکونی

به گزارش گروه علم و فناوری آنا به نقل از روابط عمومی ستاد نانو، باتری‌های یون لیتیوم به عنوان یکی از اصلی‌ترین تجهیزات مولد انرژی قابل شارژ در دنیای امروز به کار می‌روند. این باتری‌ها در حوزه‌های مختلف تولید انرژی از جمله تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها و سایر ادوات الکترونیک قابل حمل کاربرد دارند. در حال حاضر در ساخت این باتری‌ها از آندهایی بر پایه گرافیت استفاده می‌شود.

به گفته دکتر زینب سنائی، سیلیکون ماده‌ای است که قابلیت دادن ظرفیتی بیش از 10 برابر آندهای گرافیتی را دارد ولی به دلیل عدم تحمل تغییر حجم ناشی از شارژ و دشارژ باتری و ترک خوردن آن در باتری‌های صنعتی به کار نمی‌رود. تحقیقات نشان داده که استفاده از ساختارهای نانومتری سیلیکون می‌تواند به رفع این مشکل کمک کند.

سنائی در ادامه به توضیح این ویژگی پرداخت و افزود: «ساختارهای نانومتری تحمل بیشتری در برابر فشارهای ناشی از تغییر حجم از خود نشان می‌دهند و شارژ و دشارژ باتری می‌تواند بدون از دست رفتن عملکرد آن صورت گیرد. در این راستا، در این طرح ابتدا ساخت نانوسیم‌های سیلیکونی صورت گرفت و سپس باتری یون لیتیوم با استفاده از این ساختارها به صورت موفقیت آمیز ساخته شد و مورد شارژ و دشارژهای متعدد قرار گرفت».

همانطور که انتظار می‌رفت، استفاده از نانوسیم‌های سیلیکونی منجر به افزایش ظرفیت باتری شده که به معنای زمان بیشتر عملکرد باتری در هر شارژ است. همچنین نانوسیم‌های سیلیکون آمورف به دلیل داشتن ابعاد نانومتری و ساختار داخلی آمورف برخلاف سیلیکون تک بلور، امکان تحمل مراحل بیشتری از شارژ و دشارژ، بدون ایجاد ترک خوردگی در سطح را ایجاد می‌کنند.

سنائی در پایان به نحوه ساخت این نانوساختارها نیز اشاره کرد و گفت: «گرچه روش‌های زیادی برای ایجاد نانوسیم‌های سیلیکونی گزارش شده، اما اغلب این روش‌ها منجر به تولید نانوسیم‌های سیلیکونی بلورینه شده است. در حالی ‌که برای باتری‌های لیتیومی، داشتن نانوسیم‌های سیلیکون آمورف مناسب‌تر است. در این طرح، در آزمایشگاه نانوالکترونیک دانشگاه تهران، ایجاد ساختارهای نانومتری سیلیکون آمورف از طریق دستگاه زدایش با یون‌های فعال (Reactive Ion Etching) و با استفاده از گازهای هیدروژن، اکسیژن و SF6 انجام شده است. این نانوساختارها به کمک آزمون‌های SEM و TEM مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند. سپس در آزمایشگاه ادوات انرژی نانوساختار، ساخت باتری یون لیتیم و آزمون‌های مربوطه انجام شد».

این تحقیقات با تلاش‌های دکتر سمانه سلیمانی امیری، دانش آموخته دانشگاه تهران، دکتر زینب سنائی و دکتر سید شمس الدین مهاجرزاده، اعضای هیئت علمی دانشگاه تهران و همکارانشان انجام شده است.