سرعت ۱۰ برابری شارژ باتری با "نانوساختار باز و منظم"

به گزارش نیو اطلس، تحقیق روی باتری‌های نسل جدید شامل آزمایش مداوم روی مواد جایگزین است که ممکن است دستاوردهای عملکردی قابل توجهی را میسر کند و اکنون یک پیشرفت جدید، نمونه جدیدی از باتری‌ها را ارائه می‌دهد.

دانشمندان دانشگاه "توئنته" هلند یک سلول آزمایشی لیتیوم-یونی تولید کرده‌اند که دارای یک طراحی الکترود جدید با ساختار کریستالی "باز و منظم" است که به گفته آنها امکان شارژ با سرعت ۱۰ برابر نسبت به دستگاه‌های امروزی را فراهم می‌کند.

باتری‌های لیتیوم یونی که نیروی وسایل نقلیه الکتریکی امروزی، تلفن‌های هوشمند و دستگاه‌های بی‌شمار دیگری را تامین می‌کنند، دارای دو الکترود به نام کاتد و آند هستند و این مطالعه جدید بر روی دومی تمرکز دارد.

در حال حاضر این آندها از گرافیت ساخته شده‌اند که از بسیاری جهات خوب هستند، اما نمی‌توانند شارژ فوق‌العاده سریع را بدون اینکه تخریب شوند، ممکن کنند.

جایی که دانشمندان به دنبال آندهای جدید و بهبود یافته هستند، موادی است که دارای ساختارهای متخلخل در مقیاس نانو هستند. آندهایی با این ماهیت، نوید بخش تماس بیشتر با الکترولیت مایع را می‌دهند که یون‌های لیتیوم را حمل می‌کند، در حالی که یون‌ها را قادر می‌سازد تا راحت‌تر در مواد الکترود جامد پخش شوند و در نهایت دستگاهی را می‌سازند که بسیار سریع‌تر شارژ می‌شود.

اما کاستی‌هایی در مواد پیشنهادی تاکنون وجود دارد. ماهیت نامرتب و تصادفی کانال‌ها در نانوساختار متخلخل می‌تواند باعث فروپاشی آن ساختارها در حین شارژ شود، در حالی که چگالی و ظرفیت باتری را کاهش می‌دهد و می‌تواند باعث تجمع لیتیوم در سطح آند و کاهش عملکرد آن در هر چرخه‌ی شارژ شود. علاوه بر این، ساخت این مواد پیچیده است، چرا که شامل مواد شیمیایی خشن است و ضایعات شیمیایی قابل توجهی تولید می‌کند.

دانشمندان دانشگاه "توئنته" بر این باورند که جایگزین مناسبی در ماده‌ای به نام "نیکل نیوبات" یافته‌اند. برخلاف ماهیت نامنظم محلول‌های قبلی، "نیکل نیوبات" دارای ساختار کریستالی "باز و منظم" با کانال‌های تکراری و یکسان برای انتقال یون است.

محققان این آند "نیکل نیوبات" را در یک سلول باتری کامل ادغام کردند و عملکرد آن را آزمایش کردند و دریافتند که نرخ شارژ فوق العاده سریع ۱۰ برابر سریع‌تر از باتری‌های لیتیوم-یون امروزی را ارائه می‌دهد. آنها همچنین خاطرنشان کردند که "نیکل نیوبات" فشرده‌تر از گرافیت است و بنابراین چگالی انرژی حجمی بالاتری دارد که می‌تواند با نسخه‌های تجاری سلول که سبک‌تر و فشرده‌تر هستند برابری کند.

دانشمندان همچنین گزارش دادند که این ماده جدید ظرفیت بالایی دارد و حدود ۲۴۴ میلی‌آمپر ساعت در گرم است و از آنجایی که تغییر حجم در "نیکل نیوبات" در حین کار بسیار کم است، ۸۱ درصد از ظرفیت آن در ۲۰ هزار چرخه حفظ شد. همه این‌ها بدون آسیب به مواد آند انجام می‌شود، در حالی که گفته می‌شود فرآیند تولید "نیکل نیوبات" بسیار ساده‌تر از سایر مواد نانوساختار است.

به گفته محققان، این مطالعه پتانسیل ذخیره انرژی آندهای "نیکل نیوبات" را در دستگاه‌های دارای باتری نشان می‌دهد. آنها نمونه خوبی برای نیرو دادن به ماشین آلات الکتریکی که نیاز به شارژ سریع دارند، هستند. با این حال، محققان می‌گویند برای مشاهده کارکرد آنها برای استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی استاندارد، تحقیقات بیشتری مورد نیاز است.

این تحقیق در مجله Advanced Energy Materials منتشر شده است.