راهکاری برای افزایش عمر باتریهای لیتیومیونی
پژوهشگران آزمایشگاه ذخیره انرژی دانشکدگان فنی دانشگاه تهران، با ارائه روشی نوین و سریع برای بهبود عملکرد آندهای سیلیکونی، ظرفیت قابل استفاده و طول عمر باتریهای لیتیومیونی را افزایش دادند.
باتریهای لیتیومیونی امروزه از مهمترین فناوریهای راهبردی در جهان به شمار میروند و نقش مهمی در توسعه حملونقل برقی، استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و تولید تجهیزات الکترونیکی دارند. یکی از چالشهای اصلی در ارتقای این باتریها، افزایش ظرفیت ذخیرهسازی انرژی و بهبود طول عمر آنها است.
در همین راستا، پژوهشگران آزمایشگاه ذخیره انرژی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشکدگان فنی دانشگاه تهران، در مطالعهای جدید، روشی نوآورانه برای بهبود عملکرد آندهای سیلیکونی باتریهای لیتیومیونی ارائه کردهاند. سیلیکون به دلیل ظرفیت بالای ذخیرهسازی یونهای لیتیوم، از گزینههای امیدبخش برای جایگزینی آندهای گرافیتی متداول محسوب میشود، اما تغییرات حجمی زیاد آن هنگام شارژ و دشارژ، استفاده گسترده از این ماده را با چالش مواجه کرده است.
پژوهشگران دانشگاه تهران در این پژوهش با استفاده از پوشش پلیمری پلیآکریلونیتریل و بهرهگیری از فرآیند سریع «پیشلیتیمدار کردن (Pre-lithiation) موفق شدند پایداری و عملکرد الکتروشیمیایی آندهای سیلیکونی را بهبود بخشند. در این روش، الکترود تنها در مدت سه دقیقه و از طریق تماس مستقیم با فلز لیتیوم پیشلیتیمدار میشود؛ فرآیندی که ضمن جبران بخشی از اتلاف اولیه لیتیوم، به تشکیل سریعتر و پایدارتر لایه محافظ روی سطح آند کمک میکند.
نتایج آزمایشهای انجامشده نشان داد آندهای پیشلیتیمدار شده پس از ۱۵۰ چرخه شارژ و دشارژ، توانستهاند ۷۱.۷ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کنند؛ در حالی که این میزان در نمونههای فاقد این فرآیند ۶۳.۶ درصد بوده است. همچنین بازده کولنی این الکترودها به حدود ۹۹ درصد رسیده است که نشاندهنده پایداری بالای عملکرد آنها است.
در آزمون باتری کامل مجهز به کاتد NMC811 نیز بازده کولنی اولیه از ۴۴ درصد به حدود ۷۹ درصد افزایش یافته و ظرفیت ویژه چرخه نخست از ۹۴ به ۱۵۹ میلیآمپرساعت بر گرم رسیده است. علاوه بر این، میزان حفظ ظرفیت پس از ۱۰۰ چرخه شارژ و دشارژ از ۵۲ درصد به ۶۹ درصد افزایش یافته که حاکی از تأثیر قابل توجه این فناوری در بهبود عملکرد باتریهای لیتیومیونی است.
از مهمترین مزایای روش ارائهشده میتوان به سادگی، هزینه پایین، سرعت بالا و قابلیت توسعه آن برای تولید در مقیاس صنعتی اشاره کرد؛ ویژگیهایی که میتواند مسیر تجاریسازی این فناوری را هموارتر کند.
نتایج این پژوهش در Journal of Power Sources (از نشریات بینالمللی پیشرو در حوزه فناوری باتری و سامانههای ذخیرهسازی انرژی) منتشر شده است.
این پژوهش گامی مؤثر در توسعه فناوری باتریهای پرظرفیت و پایدار به شمار میرود و میتواند زمینهساز بهکارگیری گستردهتر آندهای سیلیکونی در نسل آینده باتریهای لیتیومیونی باشد.
این پژوهش با همکاری دکتر ثریا هورنام، دکتر صادق قربانزاده، دکتر محمدرضا یعسوبی از پژوهشگران آزمایشگاه ذخیره انرژی دانشگاه تهران و به هدایت دکتر زینب سنایی، عضو هیأت علمی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر و سرپرست آزمایشگاه ذخیره انرژی دانشگاه تهران انجام شده است.
نظر شما