انرژی بیشتر با باتریهای آبی جدید
گروهی از پژوهشگران دانشگاه پلیتکنیک هنگکنگ و دانشگاه شنژن موفق به طراحی نوع جدیدی از کاتد برای باتریهای یونروی با الکترولیت آبی شدند که ضمن افزایش چگالی انرژی، پایداری طولانیمدت چرخه شارژ و دشارژ را نیز فراهم میکند. این دستاورد که در مجلهی Nano-Micro Letters منتشر شده است، میتواند مسیر تازهای برای تولید انبوه و مقرونبهصرفهی باتریهای پایدار در شرایط دمایی سخت بگشاید.
کاتد نوآورانه با ساختار همدرجشده
در این پژوهش دانشمندان از کاتد جدیدی با ساختار همدرجشدهی یون پتاسیم و مادهی گرافیتی کربن نیترید (K⁺ و C۳N۴) در ترکیب NH۴V۴O۱۰ استفاده کردند که با نام KNVO-C۳N۴ شناخته میشود. این کاتد با روشهای ساده و کمهزینهی هیدروترمال و همزدن مکانیکی ساخته شده است؛ روشی که امکان تولید انبوه در مقیاس صنعتی را فراهم میسازد.
به گفتهی سرپرست این پروژه زیجیان لی، اثر همافزایی بین یونهای K⁺ و ساختار C۳N۴ موجب کاهش چشمگیر برهمکنش الکترواستاتیکی بین یونهای روی (Zn²⁺) و لایههای وانادات ([VOn]) میشود. این پدیده منجر به بهبود ظرفیت ویژه افزایش پایداری چرخهای و عملکرد بهتر باتری در دماهای گوناگون شده است.
عملکرد پایدار در دماهای بالا و پایین
بر اساس یافتههای این تیم تحقیقاتی، کاتد KNVO-C۳N۴ با فواصل میانلایهای گسترشیافته (۱۰.۶۲ آنگستروم) و افزایش نقصهای اکسیژنی، پایداری ساختاری قابلتوجهی در چرخههای شارژ و دشارژ طولانی نشان میدهد. این ویژگی سبب شده است که این سامانه در شرایط محیطی مختلف از جمله سرمای منفی و گرمای زیاد نیز عملکردی قابل اتکا داشته باشد.
آزمایشها نشان دادهاند که این الکترود در دمای محیط ظرفیت ویژهای معادل ۲۲۸.۴ میلیآمپر ساعت بر گرم در نرخ ۲۰ آمپر بر گرم دارد و پس از ۱۰ هزار چرخه هنوز ظرفیت ۱۷۴.۲ میلیآمپر ساعت بر گرم خود را حفظ میکند. علاوه بر این چگالی انرژی و توان خروجی آن به ترتیب ۲۱۰ واتساعت بر کیلوگرم و ۱۴٬۲۰۰ وات بر کیلوگرم اندازهگیری شده است.
عملکرد این باتری در شرایط دمایی بسیار متفاوت نیز چشمگیر است: در دمای منفی ۲۰ درجه سانتیگراد ظرفیت ۱۱۱.۳ میلیآمپر ساعت بر گرم و در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد ظرفیت ۲۰۸.۶ میلیآمپر ساعت بر گرم به ثبت رسیده است.
کاربردهای گسترده در محیطهای سرد و دستگاههای پوشیدنی
به گفتهی پژوهشگران این فناوری میتواند در تولید تجهیزات الکترونیکی قابلحمل و پوشیدنی، سامانههای ذخیرهسازی انرژی در مقیاس شبکه و دستگاههای مورد استفاده در مناطق سردسیر کاربرد گستردهای داشته باشد.
این تیم تاکید میکند که طراحی همدرجشدهی K⁺ و C۳N۴ نهتنها برهمکنشهای الکترواستاتیکی را کاهش میدهد و مانع از افت عملکرد باتری در طول زمان میشود، بلکه مانع انتشار یون روی را نیز کاهش داده و سینتیک واکنشهای الکتروشیمیایی را بهبود میبخشد.
مسیر تازه در طراحی کاتدهای نسل آینده
پژوهشگران همچنین با استفاده از شبیهسازی دینامیک مولکولی و دادههای تجربی نشان دادند که میزان بهینهی C۳N۴ در ساختار کاتد، نقشی کلیدی در افزایش سرعت واکنشها و پایداری ساختاری دارد. تنظیم میزان C۳N۴ موجب تغییر مؤثر فاصلهی بین لایهها و افزایش کارایی واکنشهای درونساختاری میشود.
به باور این تیم استراتژی جدید طراحی کاتدها با رویکرد همدرجسازی چندگانه میتواند الگویی تازه برای توسعهی مواد الکترودی در باتریهای نسل آینده فراهم آورد و راه را برای تولید کاتدهای پایدار، پرانرژی و مقاوم در برابر دماهای سخت در کاربردهای صنعتی و خانگی هموار کند.
انتهای پیام/
