پژوهش یک دانشآموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر نشان میدهد دوپینگ همزمان قلع و گرافن نیتروژندار در نانوکامپوزیت کاتد Li₂FeSiO₄ میتواند ظرفیت، رسانایی و پایداری چرخهای باتریهای لیتیومیونی را بهطور قابل توجهی افزایش دهد. چنین دستاوردی میتواند مسیر توسعه باتریهای بومی کمهزینه و مناسب برای خودروهای برقی را هموار کند و از فشار قیمت تمامشده در بازار ایران بکاهد.
بهگزارش ایرنا، صبا زمردی، دانشآموخته دکتری، با هدایت و راهنمایی پیروز مرعشی و زهرا صادقیان از اعضای هیئت علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر و پژوهشگاه صنعت نفت، طرحی را با عنوان «بررسی تاثیر دوپینگ قلع (Sn⁴⁺) در نانوکامپوزیت Li₂FeSiO₄/گرافن دوپشده با نیتروژن بر خواص الکتروشیمیایی باتریهای لیتیوم-یون» اجرا کرده است. زمردی میگوید باتریهای لیتیومیونی امروز در خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی و ذخیره انرژی نقشی حیاتی دارند، اما ظرفیت محدود و ناپایداری ساختار کاتد در طول شارژ و دشارژ از مهمترین چالشهای آنها به شمار میرود.
به گفته زمردی، مواد پایه سیلیکات آهن یا LFS به دلیل پایداری بالا و قیمت پایین فلزاتشان جذاباند، اما رسانایی پایین الکتریکی و یونی عملکردشان را محدود میکند. هدف پژوهش، رفع همین گلوگاه از راه اصلاح ساختار کاتد با دوپینگ قلع و ترکیب آن با گرافن دوپشده با نیتروژن بوده تا هم ظرفیت باتری و هم پایداری آن در چرخههای شارژ و دشارژ افزایش پیدا کند. نتیجه کار نشان داده است که ظرفیت و پایداری چرخهای کاتد LFS به شکل چشمگیری بالا رفته و ترکیب همزمان قلع و گرافن نیتروژندار، رسانایی الکتریکی را بیشتر و انتقال یونهای لیتیوم را آسانتر کرده است.
زمردی تأکید میکند که اهمیت این طرح در آن است که میتواند راه را برای ساخت کاتدهای بومی با عملکرد بالا باز کند و در آینده برای تجاریسازی باتریهای لیتیومیونی ایرانی با هزینه کمتر، کارایی بالاتر و تولید آسانتر به کار آید. از نگاه او، چنین مسیری برای صنعت خودروهای برقی در ایران فقط یک پیشرفت آزمایشگاهی نیست، بلکه میتواند به کاهش وابستگی به مواد گرانقیمت و حرکت به سمت خودکفایی صنعتی کمک کند. همین ویژگیها، مزیت مستقیم برای پایین آمدن هزینه ساخت خودروهای برقی و سامانههای ذخیره انرژی داخلی دارد.
این دانشآموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر روند اجرای طرح را هم توضیح داده و گفته است که ابتدا ماده فعال کاتدی با ترکیبات اولیه شامل نمک لیتیوم و ترکیبات آهن، با روش ساده و سریع حالت جامد سنتز شد و دوپانت قلع در جایگاه مهندسیشده ساختار دوپ شد. سپس نانوکامپوزیت حاصل با گرافن دوپشده با نیتروژن ترکیب شد تا ساختار رسانای یونی و الکترونی اصلاحشدهای شکل بگیرد. در مرحله بعد، نمونهها با دستگاههای مشخصهیابی دقیق همچون XRD، SEM، FTIR، و XPS و Raman و نیز آزمونهای الکتروشیمیایی از جمله CV، EIS و چرخهپذیری در صد چرخه شارژ و دشارژ بررسی شدند تا تغییرات ساختاری و عملکردی سنجیده شود.
زمردی دشوارترین بخش پروژه را کنترل دقیق فرآیند دوپینگ و جلوگیری از تشکیل فازهای ناخواسته در ساختار LFS دانست. به گفته او، این کار نیاز به تنظیم دقیق دما و زمان همراه با ایجاد یک روش تولید اصلاحشده و استفاده از ترکیب مواد اولیه متفاوت داشت تا خواص الکتروشیمیایی بهینه با بالاترین خلوص به دست آید. وی نتایج این تحقیق را قابل کاربرد در صنعت تولید باتریهای لیتیومیونی، بهویژه برای خودروهای برقی و ذخیرهسازهای انرژی تجدیدپذیر، دانست و یادآور شد که شرکتهای داخلی نیز میتوانند در توسعه باتریهای بومی با هزینه کمتر و ایمنی بالاتر از آن بهره ببرند.
زمردی همچنین گفته است بخشی از این تحقیق در قالب مقالهای 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، یعنی اسان چهار مثبت و گرافن دوپشده با نیتروژن، و اثر همافزای آنها بر عملکرد کاتد نهفته است. تولید ماده کاتدی اولیه LFS با خلوص بالا نیز از نقاط برجسته این پژوهش به شمار میرود. همچنین دستاوردهای دیگر پروژه در ژورنال آیوتیی ژورنال اف مکانیکال انجینیرینگ و نخستین کنفرانس بینالمللی باتریهای یون لیتیوم، LBC دو هزار و بیستوچهار، در قالب سخنرانی اطلاعرسانی شده و مقالات دیگر نیز با عنوان هنر مهندسی اصلاح ساختار نهایی این نانوکامپوزیت در دست ارسال قرار دارد.
به گفته زمردی، رسانایی الکتریکی و یونی افزایشیافته، ظرفیت ویژه بالا نزدیک به مقدار نظری مطرحشده، پایداری چرخهای ممتاز، ایمنی حرارتی بالا، استفاده از مواد کمهزینه و فراوان در طبیعت، سهولت و سرعت در تولید ماده اولیه کاتدی و سازگاری با محیط زیست از مزایای این طرح به شمار میآیند. او همچنین بر استفاده از روشهای سنتز کمهزینه و سریع و قابل توسعه صنعتی، ارتقای راندمان باتری بدون نیاز به فلزات گرانقیمت، قابلیت تولید بومی با مواد اولیه داخلی و بهبود چشمگیر پایداری و ظرفیت باتری نسبت به نمونههای مرجع تأکید کرده است. به گفته او، خودروهای برقی و هیبریدی، سیستمهای ذخیره انرژی خورشیدی و بادی، تجهیزات الکترونیکی قابل شارژ، پاوربانکها و ابزارهای صنعتی و هر وسیلهای که با باتریهای قابل شارژ مجدد کار میکند، از زمینههای کاربرد این محصول هستند.
نظر شما درباره نقش این نوآوری در کاهش هزینه خودروهای برقی چیست؟