محققان روشی نوآورانه برای ساخت مواد جدید باتری لیتیوم یونی کشف کردند

10 آگوست 2022 -توسط دانشگاه ایالتی بویز-خصوصیات NCNO آماده شده اعتبار: پیت بارنز و همکاران، مواد طبیعی

محققان دانشگاه ایالتی Boise رویکرد جدیدی را برای ساخت مواد جدید باتری لیتیوم یونی ایجاد کرده اند. با شروع از یک اکسید نیوبیوم آمورف (یعنی ماده ای فاقد نظم دوربرد)، این تیم کشف کردند که خود چرخه زدن مواد با لیتیوم باعث تبدیل شدن به یک آند کریستالی جدید Nb2O5 با ذخیره سازی استثنایی Li و چرخش سریع می شود. این فرآیند به طور بالقوه می تواند برای ساخت سایر مواد باتری لیتیوم یونی استفاده شود که به راحتی از طریق روش های سنتی ساخته نمی شوند.

این مطالعه که به طور مشترک توسط محققان آزمایشگاه های هوی (کلر) شیونگ، استاد علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ایالتی بویز، و شیو پینگ اونگ، استاد مهندسی نانو در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو هدایت شد، در Nature منتشر شد.

کشف مواد جدید برای باتری های لیتیوم یون فوریت تازه ای پیدا کرده است. با افزایش قیمت بنزین، تقاضا برای وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) و همراه با آن، برای باتری‌های لیتیوم یونی که انرژی آنها را تامین می‌کنند، افزایش یافته است. با این حال، باتری های لیتیوم یون امروزی هنوز هم بسیار گران هستند و خیلی کند شارژ می شوند.

پیت بارنز، دکترای تخصصی، فارغ التحصیل آزمایشگاه مواد انرژی الکتروشیمیایی Xiong در دانشکده علوم و مهندسی مواد Micron و نویسنده اصلی کار می‌گوید: «باتری‌های لیتیوم یونی فناوری پیشرو در بازار باتری‌های قابل شارژ هستند، اما افزایش تقاضا برای باتری‌ها برای داشتن انرژی بالا و زمان‌های شارژ سریع‌تر نیز وجود دارد.. “اگر می خواهید EV خود را به مدت 15 دقیقه شارژ کنید و سپس برای 200 یا 300 مایل بعدی وارد جاده شوید، به الکترودهای باتری جدید نیاز دارید که می توانند با سرعت بسیار سریع و بدون کاهش عملکرد زیاد شارژ شوند.”

یکی از بزرگترین گلوگاه های شارژ در باتری های لیتیوم یون امروزی آند است. رایج ترین آند از گرافیت ساخته شده است که بسیار چگال انرژی است، اما به دلیل خطر آتش سوزی و انفجار ناشی از فرآیندی به نام آبکاری فلز لیتیوم نمی تواند خیلی سریع شارژ شود. اکسیدهای فلزی درهم، مانند مواد سنگ نمک Nb2O5 که توسط تیم کشف شد، به دلیل کاهش خطر آبکاری لیتیوم در ولتاژ پایین، جایگزین‌های آند امیدوارکننده‌ای هستند.

برای ایجاد ماده آند جدید، گروه Xiong یک تکنیک ابتکاری جدید به نام تبدیل آمورف به کریستالی القا شده از طریق الکتروشیمیایی ایجاد کرد. الکترود جدید می‌تواند به ذخیره‌سازی لیتیوم بالای ۲۶۹ میلی‌آمپر ساعت بر گرم با نرخ شارژ ۲۰ میلی‌آمپر بر گرم دست یابد و مهم‌تر از آن، همچنان ظرفیت بالای ۱۹۱ میلی‌آمپر ساعت بر گرم را با نرخ شارژ بالای ۱ اینچ آمپر بر گرم حفظ می‌کند.

شیونگ گفت: «مهیج‌ترین جنبه این کار کشف یک رویکرد کاملاً جدید برای ایجاد الکترودهای باتری لیتیوم یون جدید است. ترفند این است که از یک فاز انرژی بالاتر، مانند یک ماده آمورف شروع کنیم. فقط چرخش ماده با لیتیوم به ما امکان می دهد آرایش های کریستالی جدیدی ایجاد کنیم که خواص بهبود یافته ای فراتر از آنهایی که از طریق روش های سنتی مانند واکنش های حالت جامد ایجاد می شوند، نشان می دهند.

عملکرد نرخ استثنایی آند به دلیل ساختار سنگ نمک یا DRX نامنظم آن است که مانند نمک معمولی آشپزخانه است اما با اتم های Li و Nb که به صورت تصادفی مرتب شده اند. در حالی که مواد کاتد DRX شناخته شده هستند، آندهای DRX نسبتا کمیاب هستند. با استفاده از تکنیک های محاسباتی، Yunxing Zuo دکتر فارغ التحصیل آزمایشگاه مجازی مواد Ong در UC San Diego، نشان داد که فرآیند وارد کردن Li به Nb2O5 آمورف به دانشمندان مواد اجازه می دهد تا به مواد غیر پایدار دسترسی پیدا کنند. این تیم همچنین معیاری را برای شناسایی سایر اکسیدهای فلزی که به طور بالقوه می توانند به روشی مشابه سنتز شوند، توسعه دادند. محاسبات همچنین نشان می‌دهد که ساختار DRX شامل مسیرهایی برای انتشار سریع لیتیوم است که در نتیجه عملکرد با سرعت بالایی دارد.

اونگ می‌گوید: «ما معتقدیم این کار صرفاً آغاز یک روش کاملاً جدید در مورد سنتز مواد است. اتم‌ها دوست دارند خود را به روش‌های خاصی مرتب کنند. وقتی مواد را به روش سنتی می‌سازیم، معمولاً بارها و بارها به همان ترتیبات می‌رسیم. این رویکرد جدید مسیر امیدوارکننده‌ای را برای ایجاد سایر اکسیدهای فلزی غیر متعارف باز می‌کند.