بازیافت ضایعات پنل‌های خورشیدی: باتری‌های خودروی الکتریکی با بازدهی ۹۹.۹٪ و حفظ ظرفیت ۸۳.۱٪

محققان در موسسه تکنولوژی و فرآیند انرژی زیستی چینگدائو (QIBEBT) با موفقیت سیلیکون را از پنل‌های خورشیدی بازیافت کرده و از آن برای ساخت باتری‌های لیتیوم-یون با عملکرد برتر استفاده کرده‌اند. این روش نه تنها پایدار و کم‌هزینه است، بلکه راهی برای استفاده مجدد از اجزای پنل‌های خورشیدی پس از پایان عمر آنها ارائه می‌دهد.

افزایش اخیر در نصب پنل‌های خورشیدی حرکت بزرگی از سوخت‌های فسیلی به دور است، اما همچنین آغاز یک روند نگران‌کننده است—تولید انبوهی از زباله پس از سه دهه زمانی که پنل‌ها به پایان عمر محصول خود می‌رسند.

محققان در سراسر جهان در حال کار بر روی شناسایی نقش‌های مناسب برای اجزای مختلف هستند. فلزاتی مانند مس و نقره که در پنل‌های خورشیدی استفاده می‌شوند احتمالا سه دهه از اکنون دارای تقاضای بالایی خواهند بود، اما استفاده مجدد از سیلیکون که به راحتی در دسترس است تا کنون چالشی بوده است.

یک تیم به رهبری CUI Guanglei، پروفسور در QIBEBT و مدیر بخش تکنولوژی انرژی کاربردی موسسه، اکنون یک راه حل پایدار و کم‌هزینه پیدا کرده است: استفاده از آن در باتری‌های لیتیوم-یون.

باتری‌های لیتیوم با آندهای سیلیکونی

به طور معمول، باتری‌های لیتیوم-یون از آندهای گرافیتی استفاده می‌کنند. تحقیقات نشان داده است که آندهای سیلیکونی به باتری‌های لیتیوم انرژی بیشتری می‌دهند. با این حال، چالش اصلی با آندهای سیلیکونی این است که این ماده مستعهد به انبساط و کاهش حجم قابل توجهی در طول چرخه شارژ-تخلیه است.

این مسئله منجر به شکست‌های مکانیکی در آند و کاهش عملکرد باتری می‌شود. تحت راهنمایی CUI، تیم تحقیقاتی از ذرات میکرومتر سیلیکون (uM-Si) برای ساخت آند استفاده کرد. به جای کار بر روی ساخت ذرات میکرومتر، تیم از سیلیکون استفاده شده در سلول‌های خورشیدی استفاده کرده است، که این روش را در دراز مدت پایدارتر کرده است.

“منبع‌یابی پایدار سیلیکون از پنل‌های خورشیدی دورریخته‌شده هم اثرات اقتصادی و هم اثرات زیست‌محیطی زباله‌های فوتوولتائیک را کاهش می‌دهد،” گفت Dong Tiantian، محقق در QIBEBT که در این کار مشارکت داشته است. “تبدیل زباله به اجزای ارزشمند باتری به طور قابل توجهی هزینه باتری‌های لیتیوم-یون را کاهش می‌دهد و دسترسی به آنها را افزایش می‌دهد.”

هنگامی که برای عملکرد آزمایش شد، این باتری‌ها با uM-Si پایداری الکتروشیمیایی بهتری داشتند و حتی پس از ۲۰۰ چرخه شارژ-تخلیه بازدهی کلمبیک ۹۹.۹۴٪ را حفظ کردند.

راز ترکیب: الکترولیت

اندازه آندهای سیلیکونی تنها عامل مهم نبود. محققان همچنین عناصر تشکیل‌دهنده الکترولیت را تغییر دادند، که به ارائه این عملکرد برتر کمک کرد.

تیم از یک محلول ۳M از الکترولیت LiPF6 حل شده در یک محلول 1,3-دوکسان و دی‌متیوکسی‌اتان با نسبت حجمی ۱:۳ استفاده کردند. فرمول شیمیایی منحصر به فرد به تشکیل یک رابط الکترولیت جامد (SEI) کمک می‌کند که ذرات سیلیکون را حتی زمانی که در طول چرخه شارژ-تخلیه شکسته می‌شوند، با هم نگه می‌دارد. این به حفظ رسانایی یونی کمک می‌کند و واکنش‌های غیرضروری را به حداقل می‌رساند.

تیم پابچه‌های سلولی با uM-Si و یک الکترولیت جدید را به مدت ۸۰ دایره آزمایش کرد تا ببیند آیا باتری در شرایط سخت نیز عملکرد خود را حفظ می‌کند یا نه. سلول‌ها چگالی انرژی ۳۴۰.۷ Wh بر کیلوگرم را ارائه دادند، که برای باتری لیتیوم-یون چشمگیر است.

باتری‌های توسعه یافته با استفاده از این تکنولوژی می‌توانند در شرایط سخت کار کنند و برای انجام وظایف مختلفی، از تأمین انرژی خودروهای الکتریکی تا ذخیره انرژی برای شبکه، مورد استفاده قرار گیرند.

“با استفاده از مواد بازیافتی و مهندسی شیمی پیشرفته، ما نشان دادیم که باتری‌های لیتیوم-یون با عملکرد بالا و پایدار از نظر زیست‌محیطی نه تنها ممکن بلکه در دسترس نیز هستند،” Cui در یک بیانیه مطبوعاتی گفت.

نتایج این تحقیق امروز در مجله Nature Sustainability منتشر شد.