موفقیت محققان داخلی درساخت صفحات آندی انعطاف‌پذیر با کاربرد در تولید نانوباتری‌ها

در سال‌های اخیر تجهیزات الکترونیکی سبک، قابل‌حمل و انعطاف‌پذیر طرفداران بسیاری بین کاربران این تجهیزات پیدا کرده است. یک از اجزای جدایی‌ناپذیر این تجهیزات، باتری‌ها هستند که به‌عنوان عامل اصلی افزایش وزن ادوات الکترونیکی محسوب می‌شوند. بنابراین کاهش وزن باتری‌ها می‌تواند موجب کارایی بالاتر وسایل الکترونیکی قابل‌حمل ‌گردد.

مهندس امین ابنوی با تشریح ضرورت انجام این طرح، اهداف دنبال شده در این طرح را توضیح داد:‌ « الکترود باتری‌های تجاری معمولاً از ترکیب مواد فعال و غیرفعالی تشکیل شده‌اند که روی بسترهای فلزی پوشیده می‌شوند. سطح اتصال کم و چسبندگی ضعیف بین مواد فعال و بستر فلزی، استفاده از این الکترودها را در باتری‌های انعطاف‌پذیر محدود می‌کند. هدف از انجام این طرح را سنتز یک صفحه‌ی آندی نانوکامپوزیتی نازک و انعطاف‌پذیر برای تولید باتری‌هایی با ظرفیت ذخیره‌ی انرژی بالا است به‌نحوی‌که بتوان عیوب مذکور را برطرف نمود.»

به گفته‌ی این محقق در مقایسه با همه‌ی آندهای گزارش شده با ساختار مشابه، این الکترود بسیار نازک‌تر و سبک‌تر است. به‌علاوه، این الکترود بیشترین ظرفیت بر واحد سطح حجم را بین ساختارها ارائه می‌دهد. همچنین آند ساخته شده ظرفیت ویژه‌ی بیش از سه برابر ظرفیت تئوری آندهای گرافیتی معمول در باتری‌های صنعتی را داراست.

در تحقیق حاضر ساختار هسته پوسته‌ی نانوسیم‌های اکسید قلع و سیلیکون آمورف روی ورقه‌ای از جنس نانولوله‌های کربنی سنتز شدند و به‌عنوان آند باتری لیتیوم یون انعطاف‌پذیر مورد استفاده قرار گرفته‌اند. استفاده از ساختارهای توده‌ای اکسید قلع و یا سیلیکون آمورف به دلیل عدم تحمل تغییر حجم ناشی از دوره‌های شارژ/تخلیه‌ی باتری و در نتیجه ترک خوردن آن، در باتری‌های صنعتی به کار نمی‌روند. تحقیقات نشان داده‌اند که استفاده از ابعاد نانومتری این ساختار می‌تواند به حل این مشکل کمک کند.

ابنوی در ادامه به تشریح مراحل انجام طرح پرداخت: «در این پژوهش ابتدا به‌وسیله‌ی سیستم فیلتراسیون خلأ، ورقه‌ای نازک از جنس نانولوله‌های کربنی ساخته شد. سپس نانوسیم‌هایی از جنس اکسید قلع با قطر تقریبی 40 تا 1200 نانومتر به روش بخار–مایع جامد و با کمک کاتالیست طلا روی این ورقه‌ها سنتز شدند. به‌منظور بهبود پایداری این الکترود در چرخه‌های متوالی شارژ/تخلیه، لایه‌ای نازک با ضخامت 10 تا 50 نانومتر از جنس سیلیکون آمورف به‌وسیله‌ی روش RF-PECVD اطراف نانوسیم‌های قلع لایه نشانی شد.

ضخامت صفحات آندی سنتز شده تنها 30 میکرون است؛ این آندها از ظرفیت اولیه‌ی شارژ/ تخلیه‌ای بالغ ‌بر 2460/1018 میلی‌آمپر ساعت بر گرم برخوردارند.

این تحقیقات حاصل تلاش‌های امین ابنوی و مجتبی ساداتی- دانشجویان مقطع کارشناسی ارشد مهندسی برق دانشگاه تهران، دکتر زینب سنایی- عضو هیأت علمی دانشگاه تهران، دکتر شهناز قاسمی- محقق پسا دکتری انستیتو آب و انرژی دانشگاه صنعتی شریف و همکارانشان است. نتایج این کار در مجله‌ی Nanotechnology با ضریب تأثیر 3/573 (جلد 28، شماره 25، سال 2017، صفحات 1-255404 تا 9-255404) منتشر شده است.