تولید کاتدهای غنی از لیتیوم برای ساخت باتریهای با چگالی بالا

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، محدثه راستگوی دیلمی، دانش آموخته گرایش شیمی کاربردی مجری طرح  «تهیه و بررسی کاتدهای غنی از لیتیم برپایه اکسید لیتیم منگنز نیکل کبالت و پوشش‌های اکسید فلزی جهت استفاده در باتری های لیتیم-یون » گفت:امروزه به دنبال گرم شدن کره‌ی زمین و آب شدن یخ‌های قطبی که در پی استفاده بیش از حد از سوخت‌های فسیلی و نشر گازهای گلخانه‌ای به اتمسفر رخ داده است، توجه به پیدایش روش‌ها و طراحی سیستم‌های نوین به منظور تولید و ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی بیش از گذشته حائز اهمیت شده است.  

وی افزود: به همین دلیل استفاده از انرژی های تجدید پذیر مانند باد، خورشید، زیست توده و امواج دریا به منظور تولید انرژی الکتریکی مورد توجه قرار گرفته است.

به گفته وی از طرفی طراحی یک سیستم قدرتمند که بتواند انرژی الکتریکی را ذخیره کند و در مکان و زمان مناسب عرضه کند، امکان این را فراهم می‌آورد که بسیاری از مشکلات و نیازهای بشر در زمینه حمل و نقل، پزشکی، هوافضا و ارتباطات برطرف شود.  

وی با بیان اینکه یکی از مهم‌ترین باتری‌هایی که به طور گسترده‌ای در زندگی روزمره بشر کاربرد دارند، باتری‌های شارژپذیر لیتیم-یون هستند گفت: باتریهای لیتیم-یون به علت چگالی انرژی بالایشان به طور گسترده‌ای در تجهیزات الکترونیکی قابل حمل مانند دوربینها، تلفنهای بی سیم، لپ تاپها و غیره مورد استفاده قرار می گیرند.  

وی ادامه داد: همچنین باتری های لیتیوم یون در تجهیزات الکتریکی در صنعت حمل و نقل مانند خودروهای الکتریکی هیبریدی کاربرد دارند و در شبکه های هوشمند نیز به منظور ذخیره سازی انرژی الکتریکی و جلوگیری از نوسانات برق از باتریهای لیتیم-یون استفاده می شود.

" وی افزود: به همین دلیل استفاده از انرژی های تجدید پذیر مانند باد، خورشید، زیست توده و امواج دریا به منظور تولید انرژی الکتریکی مورد توجه قرار گرفته است"

دیلمی خاطر نشان کرد: بسیاری از محققان به منظور بهبود عملکرد باتری‌های لیتیم-یون، تحقیقات گسترده‌ای را بر روی الکترود کاتدی آنها انجام داده‌اند و تاکنون نیز این تحقیقات ادامه دارد. به دلیل آنکه الکترود کاتدی یکی از کلیدی‌ترین اجزای باتری‌های لیتیم-یون است که نقش بسزایی را در عملکرد الکتروشیمیایی باتری‌های مذکور بویژه چگالی انرژی و توان آنها ایفا می‌کند.  

وی افزود: از طرفی نزدیک به ۲۵ درصد از قیمت باتری‌های لیتیم-یون را ترکیبات الکترود کاتدی تشکیل می‌دهند. از این رو معرفی ماده‌ی کاتدی با عملکرد الکتروشیمیایی خوب از جمله ظرفیت الکتروشیمیای زیاد، ولتاژ بالا، پایداری سیکلی زیاد، بازده کولمبی بالا و عملکرد سرعتی خوب و همچنین قیمت ارزان می‌تواند گامی موثر برای تولید باتری‌های لیتیم-یون به منظور کاربردهای تجاری باشد.  

وی افزود: اخیرا، ترکیبات لایه‌ای غنی از لیتیم با فرمول مولکولی Li۱.۲Mn۰.۵۴Ni۰.۱۳Co۰.۱۳O۲ به عنوان ماده‌ی کاتدی برای باتری‌های شارژپذیر لیتیم-یون مطرح شده‌اند.

از جمله مزایای ترکیبات کاتدی غنی از لیتیم می‌توان به ظرفیت الکتروشیمیایی بالا و ولتاژ بالای آنها اشاره کرد که این امر منجر به ایجاد چگالی انرژی بالا می‌شود. علاوه بر این در ترکیب مذکور مقدار یون‌های منگنز بیشتر از کبالت و نیکل است که منجر به قیمت ارزان‌تر و سمیت کمتر ترکیب می‌شود.

وی تاکید کرد: این ترکیبات مشکلاتی از جمله ظرفیت الکتروشیمیایی برگشت‌ناپذیر در سیکل اول، عملکرد سرعتی ضعیف و پایداری گرمایی کم را دارند.
وی با بیان اینکه یکی از پراهمیت‌ترین روش‌ها به منظور کاهش دادن ظرفیت الکتروشیمیای برگشت‌ناپذیر در ترکیبات کاتدی غنی از لیتیم، استفاده از پوشش‌های کارآمد بر روی سطح ذرات کاتدی است، گفت: پوشش‌های اعمال شده می‌توانند به طور قابل توجهی از واکنش‌های جانبی که بین سطح الکترود و الکترولیت رخ می‌دهد، جلوگیری کند به شرط آنکه پوشش‌های مذکور از پایداری شیمیایی و الکتروشیمیایی بالایی در محیط الکترولیت مورد استفاده برخوردار باشند.

وی با اشاره به پروژه خود در دانشگاه صنعتی امیرکبیر گفت: در این پروژه، ابتدا مورفولوژی‌های متنوعی از این  ترکیب با استفاده از روش هیدرو/سالوترمال تهیه شدند.

"دیلمی خاطر نشان کرد: بسیاری از محققان به منظور بهبود عملکرد باتری‌های لیتیم-یون، تحقیقات گسترده‌ای را بر روی الکترود کاتدی آنها انجام داده‌اند و تاکنون نیز این تحقیقات ادامه دارد" 

وی ادامه داد: آنالیزهای ساختاری و الکتروشیمیایی تایید کرد که حلال گلیسرول منجر به تولید ذرات کاتدی با ریخت‌شناسی مناسب می‌شود. سپس برای نخستین بار از پوشش تیتانیم دی اکسید دوپ شده با فلوئور بروی ذرات کاتدی ترکیب غنی از لیتیم استفاده شد.

به گفته فارغ التحصیل دانشگاه صنعتی امیرکبیر،خوشبختانه تهیه کاتدهای غنی از لیتیم و ساخت باتری‌های لیتیم-یون آنها با موفقیت در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است. امید این است که بتوان با حمایت بخشهای دولتی و سازمانهای زیربط تولید آنها را تا مرحله صنعتی پیش برد.

این تحقیقات در قالب پایان‌نامه دکتری محدثه راستگوی دیلمی، دانش آموخته گرایش شیمی کاربردی تحت عنوان  «تهیه و بررسی کاتدهای غنی از لیتیم برپایه اکسید لیتیم منگنز نیکل کبالت و پوشش‌های اکسید فلزی جهت استفاده در باتری های لیتیم-یون » انجام شده است؛ نتایج این تحقیقات با راهنمایی دکترمهران جوانبخت و دکتر حمید امیدوار از اعضای هیئت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر بدست آمده است.