وبلاگ شیمی - زندگی - سلامت wellcome to my weblog

 همان طور که می دانیم فناوری نانو دربسیاری از زمینه ها به طور گسترده وارد شده است. این بار می خواهیم در زمینه ی باتری ها ورود این فناوری رابررسی کنیم.

تأثیر کوتاه مدت عمده فناوری نانو بر فناوری باتری، از به کارگیری نانوذرات حاصل خواهد شد. آنها بدون تأثیرگذاری فوق العاده بر ظرفیت کل، سرعت شارژ و تخلیه را بهبود می بخشند، نکته ای که در هنگام مقایسه آنها با پیل های سوختی باید به خاطر داشت! با این حال تحقیقات انجام شده روی استفاده از نانولوله ها به جای گرافیت در الکترودها بیانگر توانایی آنها دردو برابر کردن ظرفیت باتری (و حتی بیشتر) است.

بطور کلی دو نوع باتری قابل شارژ که از فناوری نانو در ساختار آن استفاده شده است وبیشتر تحقیقات نیز بر روی این دو گروه است اول باتری های بر پایه لیتیم است برای مثال باتری های یون -لیتیم، دوم باتری های بر پایه هیدریدهای فلزی است . محققان ثابت کرده اند که استفاده از مواد نا نوبلوری و نانولوله ها در این دو نوع باتری باعث افزایش چشمگیری در طول عمر،دانسته جریان و سرعت شارژ شدن آنها شده است . نانولوله ها به عنوان جایگزینی مناسب برای گرافیت معمولی در ساختار الکترود گرافیت -لیتیم در نظر گرفته شده اند . به دلیل کوچک بودن ساختار نانولوله سطح مفید تماس آنها با لیتیم بیشتر از گرانیت معمولی است به طوری که ظرفیت یک لایه نانولوله د ر آزمایشگاه به 640 آمپرساعت به کیلوگرم رسیده است . با استفاده از فناوری نانودر ساخت باتری ها در ابتدا میزان شارژ مجدد آنها 10 برابر شد که اکنون با توسعه این فناوری باتری های کنو نی تا 100 برابر باتری های قبلی (بدون استفاده از فناوری نانو ) قابلیت شارژ مجدد ر ادارند.

البته باتریهای قابل شارژ بازاری پابرجا دارد- مثل بازار رو به رشد تأمین انرژی وسایل الکترونیکی قابل حمل. سالهاست که عد های منتظر رخنه آنها به بازار خودروسازی اند، اما پیشرفت های اندکی که در این زمینه رخ داده است. پیشرفت در مسایل حاشیه ای ممکن است این مسأله را تغییر دهد. با این حال، از آنجایی که پیل سوختی- به دلایلی از جمله دانسیته انرژی بالاتر- مشتری های باتری ها در بخش وسایل الکترونیکی قابل حمل را به خود جلب کرده است، این امکان وجود دارد که آنها این کار را در بازارهای دیگر نیز انجام دهند.

استفاده از نانو مواد در باتری های لیتیومی

مواد نانوساختار به دلیل سطح تماس زیاد، تخلخل و. . . بسیار مورد توجه صنعت باتری‌های لیتیومی قرار گرفته‌اند. این مشخصات امکان انجام واکنش‌های فعال جدید، کاهش مسیر انتقال یون‌های لیتیوم، کاهش سرعت جریان سطح ویژه و بهبود پایداری و ظرفیت ویژه باتری‌های جدید را فراهم کرده است. علاوه بر این، مواد نانوکامپوزیتی که برای مسیرهای هادی الکترونی طراحی می‌شوند، می‌توانند مقاومت داخلی باتری‌های لیتیومی را کاهش داده، سبب افزایش ظرفیت ویژه، حتی در سرعت جریان‌های شارژ/ تخلیه بالا شوند.

نانومواد به طور گسترده در علوم زیستی، فناوری اطلاعات، محیط زیست و دیگر زمینه‌های مرتبط استفاده گسترده‌ای دارند. درواقع نانو مواد در باطری های لیتیومی به واسطه الکترودها از توانایی بهبود یافتن تراکم انرژی و قدرت برخوردارند. اخیراً مواد نانوساختار توجه پژوهشگران برای کاربرد در تجهیزات ذخیره انرژی به خصوص در انواعی که سرعت جریان شارژ و تخلیه بالایی دارند، مثل باتری‌های لیتیومی، جلب کرده‌اند. توسعه تجهیزات ذخیره انرژی با توان و دانستیه انرژی بالاتر، کلید موفقیت وسایل نقلیه الکتریکی و الکتریکی هیبریدی (EV وHEV) است و انتظار می‌رود جایگزین حداقل بخشی از وسایل نقلیه امروزی شده، مشکلات آلودگی هوا و تغییرات اقلیمی را رفع کند. این فناوری‌های ذخیره انرژی متکی به علوم مواد جدید هستند که به عنوان نمونه می‌توان از توسعه الکترودهایی نام برد که قابلیت شارژ و تخلیه در سرعت جریان بالا را دارند.

باتری‌های لیتیومی قابل شارژ شامل یک الکترود مثبت (کاتد)، الکترولیت حاوی یون‌های لیتیوم و یک الکترود منفی (آند) هستند  . جنس الکترودهای مثبت و منفی اغلب باتری‌های تجاری لیتیومی به‌ترتیب از LiCoO2 و گرافیت است که هر دو به عنوان جایگاه‌های تبادل یون‌های لیتیوم عمل می‌کنند. در حین فرایند شارژ کردن باتری، یون‌های لیتیوم از الکترود LiCoO2 جدا، همزمان به وسیله الکترودگرافیت جذب شده و با گرفتن الکترون‌ بار کلی را خنثی نگه می‌دارند. در حین فرایند تخلیه باتری، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی خارج و در همان زمان بر روی الکترد مثبت جای می‌گیرند.

این فرایند الکتروشیمیایی، یک واکنش اکسید- احیای حالت جامد است که طی آن، انتقال الکتروشیمیایی بار بین یون‌های متحرک و ساختار یک جامد هادی یون و الکترون‌ صورت می‌گیرد. معمولاً حالت مطلوب آن است که مقدار انرژی ذخیره شده در واحد جرم یا حجم باتری تا حد ممکن بالا باشد. برای مقایسه محتوای انرژی باتری‌های لیتیومی، از پارامتر دانستیه ویژه انرژی ( Wh/Kg) و دانستیه انرژی (Wh/l ) استفاده می‌شود؛ در حالی که قابلیت سرعت، برحسب دانستیه ویژه توان ( Wh/Kg) و دانستیه توان (Wh/Kg ) بیان می‌شود. به طور کلی مزایای بالقوه الکترودهای نانوساختار را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد:

1. واکنش‌های جدید که امکان انجام آنها با مواد توده‌ای وجود ندارد؛

2. سطح تماس زیاد الکترود- الکترولیت که منجر به سرعت بیشتر شارژ و تخلیه می‌شود؛

3. مسیر انتقال کوتاه‌تر الکترون‌ها و یون‌های لیتیوم (که امکان عمل در هدایت پایین یون‌های لیتیوم و الکترون‌ها یا در توان‌های بالاتر را فراهم می‌کند) .

به طور کلی فرایند شارژ- تخلیه شامل یک واکنش اکسید- احیاست که در آن انتقال یون‌های لیتیوم و الکترون‌ها مخصوصاً در شارژ یا تخلیه‌های سریع نقش مهمی دارند. مواد نانوساختار می‌توانند مسیر انتقال یون‌ها و الکترون‌ها را کوتاه کنند. در مقابل، الکترودهای باتری‌های تجاری اغلب از مواد میکرونی مثلاً پودرهای حاوی ذرات میکرونی با سطح ویژه کم  تشکیل شده‌اند. از لحاظ نفوذ، این مواد میکرونی به‌دلیل طولانی بودن مسیر انتقال یون‌های لیتیوم و کم بودن سطح تماس بین الکترود و الکترولیت برای فرایندهای شارژ – تخلیه سریع مناسب نیستند.

نفوذ یون‌های لیتیوم به دلیل ماهیت فاز الکترولیت، سطح مشترک مایع- جامد، و پیچ و خم مسیر نفوذ یک پدیده پیچیده است و لازم است که اندازه ذرات مورد توجه قرار گیرد. اگر فقط به کل فرایند توجه کنیم و فرض کنیم که ضریب نفوذ تنها به این عوامل وابسته است، می‌توان طول نفوذ را با استفاده از رابطه تعیین کرد که D و T به ترتیب ضریب نفوذ و زمان هستند. ظرفیت ویژه باتری (Q) به وسیله رابطه Q=IT به دست می‌آید که I دانسیته جریان ویژه شارژ- تخلیه در واحدA/Kg یاMa/g است. در ظرفیت ثابت، افزایش I منجر به کاهش سریع (T) می‌شود. بنابراین، ظرفیت ویژه مؤثر به نسبت حجم

 (r3- (r-L) 3) /r3 بستگی دارد که r شعاع ذرات فعال است. برای رسیدن به حداکثر ظرفیت ویژه، طول نفوذ مورد نیاز (L) باید از (r) بزرگ‌تر باشد. ذراتی با اندازه r2 باید حدود دو نانومتر باشند. این موضوع نشان می‌دهد که مواد الکترودی نانوساختار برای تبدیل و ذخیره دانستیه انرژی و توان بالا ضروری‌اند.

برای اصلاح عملکرد شارژ- تخلیه با سرعت جریان بالا، مسیر انتقال الکترون نیز باید تا حد ممکن کوتاه باشد. از معمولاً کربن دوده به عنوان یک ماده هادی کمکی در باتری‌های لیتیومی استفاده می‌شد. ولی مشکلاتی نظیر سطح تماس، آلودگی سطح و. . . در فرآیند اختلاط مکانیکی مواد هادی کمکی و مواد فعال الکترود وجود داشت؛ بنابراین کاهش مقاومت از طریق کوتاه کردن مسیر انتقال الکترون در فرایند شارژ- تخلیه هنوز مطرح است.

مواد فعال نانوبلوری سنتز شده بر روی نانولوله‌های کربنی نیز برای باتری‌های لیتیومی پرسرعت مورد بررسی قرار گرفته‌اند و رفتار شارژ- تخلیه اصلاح شده‌ای را در دانسیته جریان بالا نشان داده‌اند.

با وجود این، سنتز مواد فعال نانوساختار بر روی نانولوله‌ها و نانوسیم‌های هادی هنوز یکی از امیدبخش‌ترین زمینه‌های تحقیقاتی است.