مواد اتصال‌دهنده جدید با 80% نگهداری ظرفیت باتری EV حتی پس از 750 چرخه
پژوهشگران یک دانشگاه در ژاپن ماده اتصال‌دهنده الکترودی با عملکرد بالا بر پایه پلیمر محلول در آب و دارای عملکرد الکتروشیمیایی عالی برای باتری‌های لیتیوم و سدیم یون طراحی کرده‌اند.
این کشف توسط پروفسور نوریوشی ماتسومی از مؤسسه فناوری پیشرفته ژاپن (JAIST)، ژاپن، همراه با دانشجوی دوره دکتری‌اش آمراشی پاترا در JAIST انجام شده است.
بر اساس اطلاعات پژوهشگران، سلول نیمه آنود PMAI عملکرد الکتروشیمیایی عالی و پایداری چرخه‌ای داشته است.
این مطالعه به منظور بهبود عملکرد و پایداری الکترودها انجام شد که منجر به افزایش عملکرد باتری‌ها شود.
نیاز به الکترودهای نسل جدید
افزایش تقاضای جهانی برای دستگاه‌های الکترونیکی و خودروهای برقی نیاز به تولید باتری‌های قدرتمند با کارایی بهتر، عملکرد بالاتر و ذخیره‌سازی ایمن را به همراه دارد.
باتری‌های یون لیتیوم (LIB) در طول بیش از سه دهه انتخاب برتر بوده‌اند، اما هزینه بالای آنها و توزیع جغرافیایی نابرابر مشکلاتی را به همراه دارد.
باتری‌های سدیم یون (SIB) به دلیل در دسترس بودن گسترده مولفه‌های اصلی، هزینه کمتر و پتانسیل الکتروشیمیایی بالا به عنوان یک رقیب مطرح شده‌اند.
برخی چالش‌ها در پذیرش گسترده SIBها به اندازه LIBها در بازار باقی مانده است، از جمله اینکه شعاع یونی سدیم بزرگتر از لیتیوم است که باعث کند شدن حرکت یونی و ایجاد پیچیدگی در پایداری فازی و تشکیل میان‌لایه می‌شود.
علاوه بر این، باید الکترودهایی که با هر دو نوع باتری LIB و SIB کار می‌کنند، توسعه یابند.
پژوهشگران JAIST این مطالعه را برای بهبود عملکرد و پایداری الکترودها انجام دادند.
آنها یک پلیمر جدید متراکم و محلول در آب (پلی‌اکسی‌کاربونیل‌متلنیل 1-آلیل-3-متیل‌ایمیدازولیوم) (PMAI) توسعه دادند و توانایی اتصال آن برای LIB و SIB را آزمایش کردند. سلول نیمه آنودی PMAI عملکرد الکتروشیمیایی عالی و پایداری چرخه‌ای را نشان داد.
پروفسور ماتسومی گفت: “تقاضای جهانی برای مواد که امکان شارژ و تخلیه سریع و حل مسائل کند حرکت یونی در دیفیوژن سدیمی را فراهم کند، افزایش یافته است. این ماده اتصال‌دهنده مبتنی بر پلیمر با گروه‌های عملکردی مایع یونی متراکم به عنوان یک عنصر در سیستم‌های الکترودی با کارایی بالا در SIBها عمل می‌کند.”
آزمایش کارآیی
پژوهشگران همچنین آزمایش‌هایی برای بررسی کارآیی ماده جدید PMAI انجام دادند.
آنها از آن به عنوان اتصال‌دهنده آنود گرافیت و اتصال‌دهنده آنود کربن سخت در LIB و SIB به ترتیب استفاده کردند. نتایج ارزیابی الکتروشیمیایی نشان داد که سلول نیمه آنودی مبتنی بر PMAI عملکرد الکتروشیمیایی استثنایی، ظرفیت‌های بالا (297 میلی‌آمپر ساعت بر گرم برای LIBها و 250 میلی‌آمپر ساعت بر گرم برای SIBها) و پایداری چرخه‌ای عالی با نگه داشتن ظرفیت 96% پس از 200 چرخه برای SIBها و نگه داشتن ظرفیت 80% پس از 750 چرخه در LIBها داشت.
نتایج آزمایش‌ها نشان داد که ضریب دیفیوژن یونی بهبود یافته، مقاومت کمتری و انرژی فعال‌سازی کمتری به دلیل گروه‌های مایع یونی متراکم و تشکیل یک میان‌لایه الکترولیت جامد عملکردی از طریق کاهش اتصال‌دهنده است.
پروفسور ماتسومی افزود: “این گونه مواد در سیستم‌های ذخیره انرژی با شارژ سریع برای کاربردهای تجاری پذیرفته خواهد شد، زیرا این اتصال‌دهنده باعث بهبود دیفیوژن یونی سدیمی می‌شود. این مطالعه توسعه مواد پیشرفته‌تر را تشویق کرده و راه را برای دستگاه‌های الکترونیکی و خودروهای برقی جدید با قدرت سدیمی هموار می‌کند.”
این مقاله به‌طور اولیه در مجله Advanced Energy Materials منتشر شده است.
چکیده مطالعه
انتخاب اتصال‌دهنده در جستجوی عملکرد الکتروشیمیایی قوی الکترودهای باتری لیتیوم/سدیم اهمیت زیادی دارد. اتصال‌دهنده PVDF سنتی یک پلیمر غیرفعال است که قادر به انتقال Li+/Na+ و تسهیل حرکت یونی نمی‌باشد. این محدودیت منجر به دشواری در دستیابی به ظرفیت خاص بالا، شارژ سریع و عمر چرخه‌ای طولانی می‌شود. در اینجا، یک پلی‌مایع یونی متمرکز ایمیدازولیوم عملکردی جدید قابل حل در آب، پلی‌اکسی‌کربونیلمتنیلینیل 1-آلیل-3-متیل‌ایمیدازولیوم (PMAI) سنتز شده و به عنوان اتصال‌دهنده در LIB/SIB ارزیابی شده است. سلول نیمه آنودی مبتنی بر PMAI عملکرد الکتروشیمیایی عالی را نشان داده و ظرفیت‌های بالاتری (297 میلی‌آمپر ساعت بر گرم برای LIBها و 250 میلی‌آمپر ساعت بر گرم برای SIBها) و پایداری چرخه‌ای خوبی (80% نگهداری ظرفیت پس از 750 چرخه برای LIBها؛ 96% نگهداری ظرفیت پس از 200 چرخه برای SIBها) نسبت به اتصال‌دهنده PVDF به دست آورده است. علاوه بر این، PMAI/Gr ظرفیت تخلیه بالاتری (85 میلی‌آمپر ساعت بر گرم) نسبت به PVDF/Gr با 47 میلی‌آمپر ساعت بر گرم در 5C دارد. الکترودهای حاوی PMAI نشان‌دهنده قابلیت نرخ بهتر در چگالی‌های جریان مختلف نسبت به اتصال‌دهنده PVDF در LIB/SIB هستند. ضریب دیفیوژن یونی بهبود یافته، مقاومت کمتر و انرژی فعال‌سازی کمتری در فرآیند جداسازی، به گروه‌های مایع یونی متراکم در طول پلیمر و تشکیل یک میان‌لایه عملکردی SEI از طریق کاهش اتصال‌دهنده نسبت داده می‌شود. طراحی و بررسی کامل اتصال‌دهنده جدید PMAI پتانسیل آن را در کاربردهای باتری‌های ثانویه تأیید می‌کند.
