افزایش چشمگیر ظرفیت و پایداری باتری لیتیوم یونی

به گزارش روابط خبرگزاری صدا  وسیما ، صبا زمردی دانش آموخته دکتری با هدایت و راهنمایی دکتر پیروز مرعشی و دکتر زهرا صادقیان از اعضای هیئت علمی این دانشگاه و پژوهشگاه صنعت نفت، طرحی را با عنوان «بررسی تأثیر دوپینگ قلع (Sn⁴⁺) در نانوکامپوزیت Li₂FeSiO₄/گرافن دوپ شده با نیتروژن بر خواص الکتروشیمیایی باتری های لیتیوم-یون» را اجرایی کردند.

زمردی با اشاره به کاربرد های وسیع باتری های لیتیوم-یونی گفت: این باتری ها امروزه در خودرو های برقی، تجهیزات الکترونیکی و ذخیره انرژی نقش حیاتی دارند ولی یکی از مشکلات اصلی این باتری ها، ظرفیت محدود و ناپایداری ساختار کاتد در طول شارژ و دشارژ است.

وی افزود: مواد پایه سیلیکات آهن (LFS) به دلیل پایداری بالا و قیمت پایین فلزاتشان بسیار جذاب اند، اما رسانایی پایین الکتریکی و یونی، عملکرد آنها را محدود می کند. از این رو این تحقیق هدف این تحقیق رفع این مشکل با اصلاح ساختار کاتد از طریق دوپینگ قلع و ترکیب با گرافن دوپ شده با نیتروژن بوده است تا هم ظرفیت باتری و هم پایداری آن در طول دفعات شارژ و دشارژ افزایش یابد.

زمردی با اشاره به نتایج به دست آمده از این تحقیق اظهار کرد: این پژوهش موفق شد ظرفیت و پایداری چرخه ای کاتد LFS را به صورت چشمگیری افزایش دهد. استفاده از دوپینگ همزمان قلع و گرافن نیتروژن دار در کاتد LFS به عنوان یک هنر مهندسی بهبود ساختار، باعث افزایش رسانایی الکتریکی و تسهیل انتقال یون های لیتیوم شد.

به گفته وی اهمیت این طرح در آن است که می تواند مسیر را برای ساخت کاتد های بومی با عملکرد بالا هموار کند و در آینده برای تجاری سازی باتری های لیتیوم یونی ایرانی با هزینه کمتر و کارایی بالاتر و تولید اسان تر مورد استفاده قرار گیرد.

این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر با اشاره به روند اجرای این طرح خاطر نشان کرد: ابتدا ماده فعال کاتدی با ترکیبات اولیه شامل نمک لیتیوم و ترکیبات آهن با روش ساده و سریع حالت جامد سنتز شدند و دوپاند قلع در جایگاه مهندسی شده ساختار دوپ شد. سپس نانوکامپوزیت حاصل با گرافن دوپ شده با نیتروژن ترکیب شد تا ساختار رسانای یونی و الکترونی اصلاح شده ایجاد شود.

زمردی با بیان اینکه در مرحله بعد، نمونه ها با دستگاه های مشخصه یابی دقیق همچون XRD، SEM، FTIR، و XPS و Raman و.؛ و آزمون های الکتروشیمیایی (CV و EIS و چرخه پذیری در صد چرخه شارژ و دشارژ) مورد بررسی قرار گرفتند، تا تغییرات ساختاری و عملکردی ارزیابی شوند، اضافه کرد: دشوارترین بخش پروژه، کنترل دقیق فرآیند دوپینگ و جلوگیری از تشکیل فاز های ناخواسته در ساختار LFS بود. این کار نیاز به تنظیم دقیق دما، زمان با ایجاد یک روش تولید اصلاح شده با ترکیب مواد اولیه متفاوت داشت تا خواص الکتروشیمیایی بهینه با بالاترین خلوص حاصل شود.

وی نتایج این تحقیق را قابل کاربرد در صنعت تولید باتری های لیتیوم یونی، به ویژه برای خودرو های برقی و ذخیره ساز های انرژی تجدیدپذیر دانست، یادآور شد: همچنین می تواند در توسعه باتری های بومی با هزینه کمتر و ایمنی بالاتر مورد توجه شرکت های داخلی قرار گیرد.

وی افزود: بخشی از این تحقیق در قالب مقاله ای با عنوان “Synergistic enhancement of Li₂FeSiO₄ cathode material via Sn (IV) and nitrogen-doped rGO co-doping strategy for lithium-ion batteries”

به ژورنال Springer* ارسال شده است. تازگی این کار در استفاده همزمان از دو عامل بهبوددهنده (Sn⁴⁺ و گرافن N-دوپ شده) و اثر هم افزایی آنها بر عملکرد کاتد است و تولید ماده کاتدی اولیه LFS. با خلوص بالا است. هچنین دستاورد های دیگر این پروژه در ژورنال AUT Journal of mechanical engineering و اولین کنفرانس بین المللی باتری های یون لیتیوم LBC 2024 در قالب سخنرانی اطلاع رسانی گشت. مقالات دیگر نیز با عنوان هنر مهندسی اصلاح ساختار نهایی این نانوکامپوزیت در دست ارسال قرار دارد.

به گفته وی رسانایی الکتریکی و یونی افزایش یافته.ظرفیت ویژه بالا نزدیک به مقدار مطرح شده تئوری و پایداری چرخه ای ممتاز، ایمنی حرارتی بالا، استفاده از مواد کم هزینه و فراوان در طبیعت، سهولت و سرعت در تولید ماده اولیه کاتدی، سازگار با محیط زیست را از مزایای این طرح عنوان کرد.

زمردی خاطر نشان کرد: استفاده از روش های سنتز کم هزینه و سریع و قابل توسعه صنعتی، ارتقای راندمان باتری بدون نیاز به فلزات گران قیمت، قابلیت تولید بومی با مواد اولیه داخلی، بهبود چشمگیر پایداری و ظرفیت باتری نسبت به نمونه های مرجع از مزایای این طرح است.

زمردی با اشاره به کاربرد های این طرح گفت: خودرو های برقی و هیبریدی، سیستم های ذخیره انرژی خورشیدی و بادی، تجهیزات الکترونیکی قابل شارژ، پاوربانک ها و ابزار های صنعتی و هر وسیله ای که با باتری های قابل شارژ مجدد کار می کنند از زمینه های کاربرد این محصول به شمار می رود.