کامپوزیت برای کاربرد در باتری‌های لیتیوم یون ساخته شد

به گزارش گروه علم و فناوری آنا به نقل از ستاد خبری صندوق حمایت از پژوهشگران و فناوران، امروزه باتری‌های لیتیوم یون کاربردهای بسیار گسترده‌ای در توسعه خودروهای برقی و هیبریدی، انرژی‌های تجدیدپذیر، بهره‌وری شبکه‌های هوشمند برق، صنایع الکتریکی و الکترونیکی، پهپاد‌ها و سفینه‌های فضایی دارند.

تقریبا نصف قیمت خودروهای برقی مربوط به باتری‌های لیتیومی آنهاست و به همین منظور سرمایه‌گذاری‌های بزرگی در زمینه توسعه و تولید این باتری‌های پیشرفته شده، به طوری که در طول سه سال اخیر قیمت جهانی این باتری‌ها یک سوم شده است.

امروزه در برخی از کشورها مردم برای ذخیره‌سازی برق فتوولتائیک و بادی از این نوع باتری‌ها که طول عمر بالاتر از 20 سال دارند استفاده می‌کنند. پیش‌بینی می‌شود بازار 30 میلیارد دلاری این باتری‌ها در حال حاضر به بیش از 100 میلیارد دلار تا 10 سال آینده افزایش یابد.

در این پروژه ترکیب کاتدی لیتیوم آهن فسفات با استفاده از روش هیدروترمال تهیه شد و اثر حلال کمکی بر نانوساختار با استفاده از حلال‌هایی نظیر اتیلن گلیکول، ایزوبوتیل الکل و آب بررسی شد. از یک منبع کربنی (اسید سیتریک) به عنوان منبع تولیدکننده لایه کربنی پوشش‌دهنده نانوذرات استفاده شده است. بررسی‌های انجام‌شده نشان‌دهنده ایجاد لایه کربنی مناسبی در حضور اتیلن گلیکول و آب (به نسبت حجمی 50:50) است.

از این ترکیب‌ها در ساخت باتری یون لیتیوم استفاده شد و نتایج الکتروشیمیایی نشان داد که ظرفیت به دست آمده از نمونه نانوذرات بالغ بر 97 درصد ظرفیت تئوری است و بعد از 100 سیکل شارژ و دشارژ کمتر از 5/2 درصد کاهش ظرفیت دیده می‌شود. در سرعت‌های بالا C 10 ارائه ظرفیت مناسب در حدود mAh/g 114 نیز نشان دهنده قابلیت استفاده از این ماده در باتری‌های با سرعت شارژ و دشارژ بالاست.

در بخش دوم پروژه با هدف بهبود خواص الکتریکی و سرعت‌پذیری ماده الکترودی لیتیوم آهن فسفات، کامپوزیت لیتیوم آهن فسفات/ گرافن با مقدار 3 درصد وزنی از گرافن بطور موفقیت‌آمیزی از طریق یک روش دماپایین هیدروترمال و بدون استفاده از هیچ گونه مولکول الگو و عامل شکل‌دهنده‌ای سنتز شد. از ماده سنتزی به عنوان کاتد در باتری‌های قابل شارژ لیتیوم- یون استفاده شد.

نمونه‌ها از طریق پراش اشعه ایکس (XRD) و میکروسکوپی روبش الکترونی بررسی شدند و خواص الکتروشیمیایی آنها از طریق روش‌های ولتامتری چرخه‌ای (CV)، اسپکتروسکوپی الکتروشیمیایی امپدانس (EIS) و تست‌های شارژ و دشارژ مورد بررسی قرار گرفت.

نتایج آزمون‌ها نشان دهنده آن است که با بهره‌گیری از نانوشیت‌های گرافنی ساختاری با تخلخل بیشتر و مورفولوژی گل مانند حاصل می‌شود که می‌تواند موجب بهبود قابل توجهی در عملکرد کامپوزیت به دست آمده شود. در مقایسه با لیتیوم آهن فسفات اولیه (LiFePO4)، کامپوزیت لیتیوم آهن فسفات/ گرافن حاصله دارای خواص الکتروشیمیایی بسیار مطلوبی چون ظرفیت و سرعت پذیری بالا است.

همچنین کامپوزیت متخلخل ساخته شده قابلیت مطلوبی را نسبت به دانسیته جریان‌های مختلف شارژ/ دشارژ نشان می‌دهد. این ماده دارای ظرفیت دشارژ اولیه‌ای معادل mAh/g 153 در C2/0 است.