فرآیند ذخیره‌سازی انرژی نازک‌ترین باتری لیتیوم-یونی رمزگشایی شد
باتری‌های لیتیوم-یونی که در دستگاه‌های مختلف از گوشی‌های هوشمند گرفته تا خودروهای برقی استفاده می‌شوند، انرژی را از طریق فرایند ورود یون‌ها ذخیره می‌کنند، جایی که یون‌های لیتیوم در زمان شارژ بین لایههای گرافیت در آند قرار می‌گیرند.
هرچه یک باتری بتواند یون‌های لیتیوم بیشتری جذب و آزاد کند، انرژی بیشتری ذخیره می‌کند. با این که این فرآیند شناخته شده است، جزئیات میکروسکوپی آن مشخص نبود.
یک تیم از دانشگاه منچستر با مطالعه روی گرافن دولایه، که نازک‌ترین آند ممکن برای باتری است و فقط از دو لایه کربن تشکیل شده، نوری جدید به این پدیده افکنده‌اند.
فرآیند شگفت‌انگیز در ورود یون‌های لیتیوم به منظور ذخیره‌سازی انرژی
تحقیقات دانشمندان منچستر که در Nature Communications منتشر شده است، فرآیند غیرمنتظره «مرحله‌بندی درون لایه‌ای» را در زمان ورود یون‌های لیتیوم در گرافن دولایه فاش کرده است، که می‌تواند به پیشرفت‌های تکنولوژیکی در ذخیره‌سازی انرژی منجر شود.
گرافیت از مدت‌ها به عنوان ماده آند در باتری‌های لیتیوم-یونی به دلیل پایداری شیمیایی، ورود و خروج پذیرای معکوس، دور سیکل خوب و هزینه پایین استفاده شده است. در آزمایشات خود، پژوهشگران آند معمولی گرافیت را با گرافن دولایه تعویض کرده و رفتار یون‌های لیتیوم در زمان ورود را مشاهده کردند.
به طرز شگفت‌آوری، آن‌ها دریافتند که یون‌های لیتیوم نه به‌طور همزمان و نه به صورت تصادفی وارد دو لایه نمی‌شوند. بلکه این فرآیند در چهار مرحله مجزا رخ می‌دهد، با یون‌هایی که خود را در الگویی شش‌گوش و با تراکم تدریجی سازماندهی می‌کنند.
بر اساس گفته پروفسور ایرینا گریگوریوا، که تیم تحقیقاتی را رهبری می‌کرد، کشف مرحله‌بندی درون لایه‌ای غیرمنتظره بود. این نشان‌دهنده سطح بالاتری از تعامل بین شبکه یونی لیتیوم و شبکه کریستالی گرافن نسبت به آنچه که پیش از این باور داشتند، بود.
گریگوریوا توضیح می‌دهد: «این درک از فرآیند ورود در سطح اتمی راه‌های جدیدی برای بهینه‌سازی باتری‌های لیتیوم-یونی و احتمالاً کشف مواد جدید برای بهبود ذخیره‌سازی انرژی باز می‌کند.»
گرافن دولایه دیدگاه‌هایی فراهم می‌کند اما در ظرفیت ذخیره‌سازی لیتیوم کمتر است
این مطالعه همچنین نشان داد که گرافن دولایه دارای ظرفیت ذخیره‌سازی لیتیوم کمتری نسبت به گرافیت سنتی است. این به این دلیل است که اثر محافظتی کمتری در برابر تعاملات بین یون‌های لیتیوم مثبت ارائه می‌دهد، که منجر به دفع قوی‌تر و نگه‌داشتن یون‌ها در فاصله بیشتری از یکدیگر می‌شود.
هرچند که گرافن دولایه ممکن است ظرفیت ذخیره‌سازی بیشتری نسبت به گرافیت حجمی نداشته باشد، فرآیند ورود ویژه آن یک پیشرفت مهم را نشان می‌دهد. این کشف نشان می‌دهد که استفاده از فلزات نازک اتمی می‌تواند اثر محافظتی را بهبود بخشیده و ممکن است ظرفیت ذخیره‌سازی را در آینده افزایش دهد.
این پژوهش همچنین درک فرآیند ورود یون‌های لیتیوم را پیشرفت داده و زیرساختی برای توسعه راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی کارآمدتر و پایدارتر فراهم می‌کند. با افزایش تقاضا برای باتری‌های بهبود یافته، این کشفیات می‌توانند توسعه تکنولوژی‌های آینده ذخیره‌سازی انرژی را تحت تأثیر قرار دهند.
