فرایند چگونگی ذخیره انرژی در باتری لیتیوم-یون کشف شد

محققان در باتری لیتیوم-یون یک فرایند غیرمنتظره مرحله‌بندی درون صفحه را در طول تلاقی لیتیوم در گرافن دولایه کشف کردند، که به طور بالقوه باعث پیشرفت‌هایی در فناوری ذخیره‌سازی انرژی می‌شود.

به‌ گزارش تک‌ناک، باتری‌های لیتیوم-یون که در دستگاه‌های مختلف از گوشی‌های هوشمند گرفته تا خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند، انرژی را از طریق یون‌های درونی ذخیره می‌کنند و در آنجا یون‌های لیتیوم در هنگام شارژ بین لایه‌های گرافیت در آند می‌لغزند.

هر چه باتری بتواند یون‌های لیتیوم بیشتری را جذب و آزاد کند، انرژی بیشتری ذخیره می‌کند. اگرچه این فرایند به خوبی شناخته شده است، جزئیات میکروسکوپی آن تاکنون نامشخص بود.

به همین منظور تیمی از دانشگاه منچستر با مطالعه گرافن دولایه که نازک‌ترین آند باتری می‌باشد که فقط از دو لایه کربن تشکیل شده است، به کشف بیشتر این پدیده پرداخته‌اند.

گرافیت از دیرباز به‌عنوان ماده آند در باتری‌های لیتیوم یونی به‌ دلیل پایداری شیمیایی، درون‌سازی برگشت‌پذیر، چرخه‌پذیری خوب و هزینه کم استفاده می‌شود.

محققان در آزمایش‌های خود، آند گرافیت معمولی را با گرافن دولایه تعویض و شیوه رفتار یون‌های لیتیوم را در طول درون‌گیری مشاهده کردند.

در کمال تعجب، آنها کشف کردند که یون‌های لیتیوم به طور همزمان یا تصادفی وارد دو لایه نمی‌شوند.

در مقابل، این فرایند در چهار مرحله مجزا رخ می‌دهد که یون‌ها خود را در شبکه‌های شش ضلعی سازمان‌یافته و متراکم‌تر در هر مرحله مرتب می‌کنند.

پروفسور ایرینا گریگوریوا، که تیم تحقیقاتی را رهبری می‌کرد، گفت: «کشف مرحله‌بندی درون‌صفحه‌ای غیرمنتظره بود. این کشف نشان داد که تعامل بین شبکه یون‌های لیتیوم و شبکه کریستالی گرافن بسیار بیشتر از آنچه که تصور می‌شد، است.»

وی توضیح داد: «این درک از فرایند درون‌یابی در سطح اتمی، راه‌های جدیدی را برای بهینه‌سازی باتری‌ لیتیوم-یون و به احتمال زیاد کشف مواد جدید برای ذخیره‌سازی انرژی افزایش می‌دهد.»

بینش‌های ارائه شده از گرافن دولایه

همچنین این مطالعه نشان داد که گرافن دولایه ظرفیت ذخیره‌سازی لیتیوم کمتری نسبت به گرافیت سنتی دارد.

به این دلیل که غربالگری مؤثر کمتری از برهمکنش‌های بین یون‌های لیتیوم با بار مثبت را فراهم و در نتیجه دافعه قوی‌تری ایجاد می‌کند و یون‌ها را مجبور می‌سازد دورتر از هم بمانند.

اگرچه گرافن دولایه ممکن است ظرفیت ذخیره‌سازی بالاتری نسبت به گرافیت توده‌ای نداشته باشد، اما فرایند بینابینی منحصربه‌فرد آن نشان‌دهنده پیشرفت قابل توجهی است.

این کشف نشان می‌دهد که استفاده از فلزات اتمی نازک می‌تواند اثر غربالگری را افزایش دهد و ظرفیت ذخیره‌سازی را در آینده بهبود بخشد.

همچنین این تحقیق درک درون‌افزایی باتری لیتیوم-یون را ارتقا می‌دهد و پایه‌ای برای توسعه راه‌حل‌های ذخیره انرژی کارآمدتر و پایدارتر فراهم می‌کند.

با افزایش تقاضا برای باتری‌های بهبودیافته، این یافته‌ها می‌تواند بر توسعه فناوری‌های ذخیره‌سازی انرژی در آینده تأثیر بگذارد.