بهبود عملکرد و سبک‌سازی باتری‌های لیتیومی با الکترودهای نانوکامپوزیت‌

به گزارش نیوزلند، فاطمه پورصالحی، دانش آموخته مقطع دکتری با هدایت و راهنمایی پروفسور 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 اجرایی 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 لایه‌نشانی الکترودها، روش پیشنهادی منجر به کاهش هزینه‌ها با حذف مواد شیمیایی سمی NMP وPVDF، ساده‌سازی فرآِیند و تجهیزات و کاهش انرژی و زمان ساخت الکترودها در مقیاس آزمایشگاهی می‌شود. 

این دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر اضافه کرد: به‌کارگیری الکترودهای نانوکامپوزیتی تهیه ‌شده با ساختار پیشرفته نسبت به الکترودهای متداول در باتری‌های لیتیومی منجر به بهبود سیکل‌پذیری 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 اجزای الکترودی (روش ترسیب الکتروفورتیک) و بهینه‌سازی متغیرها، موفق به دستیابی به پوششی یکنواخت از اجزا بر سطح جمع‌کننده جریان شدیم و همچنین در ادامه پژوهش با حذف بایندر PVDF به 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 بهینه‌سازی‌های ذکرشده، الکترودهای کامپوزیتی پیشرفته حاوی کربن نانوتیوب و یا گرافن سولفونه در یک مرحله با کمک روش ترسیب الکتروفورتیک تهیه و بهینه 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 نانولوله‌های کربنی MWCNT است که علاوه بر هدایت الکتریکی بالا، می‌توانند نقش بایندر را ایفا کنند. 

به  گفته وی، نتایج بخش اول و دوم این رساله در Journal of the Electrochemical Society از انتشارات IOP در سال ۲۰۲۳ منتشر شد.

پورصالحی افزود: در بخش سوم این رساله نیز الکترودهای کامپوزیتی حاوی گرافن سولفونه و گرافن سولفونه/کربن بلک تهیه و مقایسه شدند که در تهیه این کامپوزیت‌ها 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 گروه‌های سولفونه مورد استفاده در تهیه ساختار کامپوزیتی به افزایش عمر باتری‌های لیتیومی کمک کردند. نتایج این بخش از رساله در مجله Electroanalytical chemistry از انتشارات الزویر اخیرا منتشر شده است.

به نقل از دانشگاه امیرکبیر، وی خاطرنشان کرد: پیش از شروع این رساله دکتری طی یک طرح تحقیقاتی، عملکرد باتری‌های لیتیومی را با تهیه الکترودهای کامپوزیتی برپایه نانوصفحات گرافن به کمک روش الکتروفورتیک بهبود بخشیدیم که نتایج آن در مجله Solid state chemistry از انتشارات الزویر در سال ۲۰۲۰ به چاپ رسید.

انتهای پیام