افزایش چرخه پذیری کاتدهای باتری لیتیومی

2 مه 2024-کاتد باتری لیتیومی-© shutterstock/asharkyu

چرخه شارژ اکسید آهن فوق غنی از لیتیوم، یک کاتد مقرون به صرفه و با ظرفیت بالا برای کاتدهای باتری لیتیومی نسل جدید، می تواند با تقویت با عناصر معدنی در دسترس بهبود یابد.افزایش ظرفیت، کارایی و پایداری باتری های لیتیومی یک تلاش تحقیقاتی مداوم است.

یک چالش بزرگ کاهش اتکا به منابع کمیاب و گران قیمت است. یک رویکرد استفاده از مواد خام کارآمدتر و پایدارتر برای کاتدهای باتری است، جایی که فرآیندهای تبادل الکترون کلیدی رخ می دهد.

محققان برای بهبود عملکرد کاتدهای مبتنی بر یک ترکیب خاص لیتیوم-آهن-اکسید کار کردند.

مواد خام حیاتی می توانند کاتدهای باتری را بهبود بخشند.

محققان قبلاً یک ماده کاتدی امیدوارکننده را گزارش کرده بودند که با استفاده از واکنش‌های ردوکس آهن و اکسیژن ظرفیت بالایی از خود نشان می‌دهد.با این حال، توسعه آن با مشکلات مرتبط با تولید اکسیژن در طول چرخه شارژ-دشارژ مجدد مواجه شد.

پروفسور هیرواکی کوبایاشی توضیح داد: «اکنون دریافته‌ایم که چرخه‌پذیری را می‌توان با دوپ کردن مقادیر کمی از عناصر به وفور در دسترس مانند آلومینیوم، سیلیکون، فسفر و گوگرد در ساختار کریستالی کاتد باتری افزایش داد.

نقش پیوند کووالانسی

یکی از جنبه‌های شیمیایی مهم این افزایش، تشکیل پیوندهای کووالانسی قوی بین اتم‌های ناخالص و اکسیژن در ساختار است.این پیوندها به جای برهمکنش «یونی» بین یون‌های دارای بار مثبت و منفی، اتم‌ها را هنگامی که الکترون‌ها بین اتم‌ها به اشتراک گذاشته می‌شوند، نگه می‌دارند.

تجزیه و تحلیل پیشرفت در کاتدها

محققان از تجزیه و تحلیل جذب اشعه ایکس و محاسبات نظری برای کشف جزئیات دقیق تغییرات در ساختار مواد کاتد باتری ناشی از معرفی عناصر ناخالص مختلف استفاده کردند.این به آنها اجازه داد تا توضیحات نظری برای بهبودهایی که مشاهده کردند ارائه کنند.

آنها همچنین از تجزیه و تحلیل الکتروشیمیایی برای تعیین کمیت بهبود ظرفیت انرژی کاتد، پایداری و چرخه بین فازهای شارژ و دشارژ استفاده کردند که نشان دهنده افزایش در حفظ ظرفیت از 50٪ به 90٪ است.

نتیجه گیری کوبایاشی: “ما به توسعه این بینش های جدید ادامه خواهیم داد، به امید اینکه سهم قابل توجهی در پیشرفت فناوری باتری های لیتیومی داشته باشیم که اگر بخواهیم انرژی الکتریکی به طور گسترده جایگزین استفاده از سوخت های فسیلی شود، همانطور که تلاش های جهانی برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی لازم است.”