استفاده از الکترود اکسید آهن نانوساختار برای بهبود عملکرد باتری‌های لیتیومی

به گزارش گروه علم و فناوری آنا به نقل از ستاد ویژه توسعه نانو، باتری‌های لیتیومی از خانواده باتری‌های قابل شارژ محسوب می‌شوند. امروزه باتری‌های لیتیومی یکی از اولین انتخاب‌ها برای استفاده به‌عنوان منبع انرژی قابل‌حمل هستند. با توجه به اهمیت روزافزون ذخیره انرژی در صنایع مختلف، بهبود عملکرد این نوع باتری‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. یکی از عوامل تعیین‌کننده در موضوع ظرفیت و طول عمر این نوع باتری‌ها، جنس الکترود مورد استفاده در آنهاست. تاکنون تحقیقات متعددی در زمینه انتخاب جنس مناسب الکترود انجام شده است.

به گفته دکتر محمد گل محمد، مجری طرح، ارزان بودن، غیرسمی بودن و ظرفیت و پایداری بالا از مشخصه‌های اصلی الکترود مورد استفاده در باتری‌های لیتیومی است. بدین جهت، اکسید آهن به دلیل دارا بودن شرایط مذکور گزینه مناسبی برای این منظور به شمار می‌رود. در این راستا، اکسیدهای آهن با ساختارهای متفاوت توسط محققان مورد بررسی قرار گرفته‌اند. یکی از عیوب این الکترودها کاهش ظرفیت آنها پس از دوره‌های مکرر شارژ- تخلیه است. هدف از انجام این طرح، غلبه بر عیب مطرح ‌شده از طریق ایجاد تخلخل‌های نانومتری در اکسید آهن بوده است.

وی با اشاره به تغییرات حجم الکترود طی دوره‌های مکرر شارژ- تخلیه به‌عنوان عامل اصلی کاهش ظرفیت آنها گفت: «اعمال حفرات نانومتری در الکترود موجب کاهش قابل توجه تخریب ناشی از تغییرات حجم و همچنین افزایش سطح مؤثر آنها می‌شود».

اکسید آهن مورد استفاده در این طرح، «مگهمیت» است که علاوه بر ظرفیت برگشت‌پذیر بالا، ماده‌ای ارزان‌قیمت، در دسترس و غیرسمی است. همچنین روش سنتز استفاده شده جهت تولید این ماده، روشی آسان و کم‌هزینه است.

گل محمد در خصوص روند دست‌یابی به اهداف این طرح افزود: «ابتدا اکسید آهن مگهمیت متخلخل از طریق روش رسوبی با استفاده از گلیسیرین به عنوان حلال واسط سنتز شد. در ادامه فازهای به دست آمده، مکانیزم تشکیل مگهمیت، ریزساختار و اندازه تخلخل‌ها با روش‌های مختلف مورد بررسی قرار گرفت. سپس خمیری از این ذرات به همراه بایندر و ماده هادی تهیه و روی زیرلایه مسی ریخته‌گری دوغابی شد. در نهایت با استفاده از لیتیوم به عنوان الکترود مرجع، باتری ساخته و عملکرد آن در دانسیته جریان‌های مختلف ارزیابی شد».

نتایج بررسی‌های ساختاری انجام شده از تشکیل اکسید آهن مگهمیت تک فاز متخلخل حکایت دارند. همچنین ارزیابی‌های صورت گرفته بر باتری لیتیومی ساخته شده از الکترودهای از جنس اکسید آهن متخلخل، نشان‌دهنده ظرفیت بسیار بالاتر این باتری‌ها نسبت به باتری‌های متشکل از الکترودهای گرافیتی است.

این تحقیقات حاصل تلاش‌های دکتر فرهاد گلستانی فرد و دکتر علیرضا میر حبیبی، اعضای هیئت علمی دانشگاه علم و صنعت، دکتر محمد گل محمد، دانش‌آموخته دوره دکترای این دانشگاه و دکتر اریک کلدر، عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی دلفت است.