نانوکامپوزیت جدید عملکرد باتری‌ها را بهبود می‌دهد

پژوهشگران در سنگاپور برای رفع مشکل تحلیل رفتن و کاهش ظرفیت باتری‌های یون لیتیوم بعد از تعداد زیادی چرخه شارژ - تخلیه، راهبرد جدیدی شرح داده اند.

این راهبرد شامل استفاده از یک ماده نانوکامپوزیتی با ساختاری شبیه نخود فرنگی و پوسته شان است، که متشکل از نانوذرات اکسید کبالت (Co₃O₄) درج شده در الیاف کربنی می‌باشد.

باتری های یون لیتیوم برای توان دادن به گستره‌ی وسیعی از افزاره های الکترونیکی استفاده می‌شوند. تاکنون تلاش های بسیاری برای بهبود عملکرد این باتری ها بویژه بهبود راندمان و رفع نقایص الکترودهای آنها انجام شده است. در این باتری ها، یون های لیتیوم طی فرآیندهای شارژ و تخلیه با تشکیل آلیاژ یا تبدیل شیمیایی، به‌طور تکراری وارد الکترود ها شده و از آنها خارج می‌شوند. این فرآیندهای تکراری سبب تحلیل تدریجی الکترودها شده و به‌طور برگشت‌ناپذیری عملکرد این باتری ها را بدتر می کند.

چپ: نانوذرات اکسید کبالت درج شده در الیاف کربنی. راست: نخود فرنگی و پوسته‌شان. این ساختار شبیه نخود فرنگی و پوسته‌شان، طول عمر الکترودها در باتری‌های یون لیتیوم را بهبود می‌دهند.

اکنون یو وانگ و همکارانش در A*STAR برای غلبه بر این مشکل یک راهبرد ظریف شرح داده اند. اکسید کبالت یک ماده نویدبخش برای آندها در باتری های یون لیتیوم است، زیرا ظرفیت آن برای نگه داشتن یون ها بیشتر از ظرفیت مواد الکترودی مرسوم از قبیل قلع است. بعلاوه Co₃O₄ به آسانی به LiCoO₃ که ماده ای است که اخیراً در کاتدهای تجاری استفاده می‌شود، تبدیل می شود. این پژوهشگران با گرم کردن نانوتسمه های هیدرواکسید کربنات کبالت روکش داده شده با لایه های گلوکز پلیمره شده، در یک اتمسفر بی‌اثر در 700 درجه سلسیوس و سپس در هوا در 250 درجه سلسیوس، ساختارهایی شبیه نخود فرنگی و پوسته شان تولید کردند. الکترودهای ساخته شده با این نانوکامپوزیت ذخیره لیتیوم و ماندگاری ظرفیت را افزایش دادند.

وانگ می گوید: نانوذرات کبالت بعنوان مواد فعال برای ذخیره یون های لیتیوم عمل می کنند و الیاف کربنی این نانوذرات را از جمع شدن و تخریب محافظت می کنند. این الیاف کربنی همچنین نقش هدایت الکترون ها از این نانوذرات را بازی می کنند.

این پژوهشگران باور دارند که روش شان را می توان برای تولید نانوذرات کپسوله شده با استفاده از گستره وسیعی از مواد بکار برد که در کاربردهایی غیر از باتری های یون لیتیوم، برای مثال در مهندسی ژن، کاتالیز، حسگری گاز و ساخت خازن ها و مگنت ها استفاده می‌شوند.

این پژوهشگران جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله¬ی ACS Nano منتشر کرده اند.

http://www.research.a-star.edu.sg/research/6282