راهکاری برای افزایش طول عمر باتریهای سدیم-یون
محققان دانشگاه نانجینگ و سایر مؤسسات اخیراً استراتژی جدیدی را معرفی کردهاند که میتواند به غلبه بر این محدودیت باتریهای سدیم-یون کمک کند و دوام آنها را افزایش دهد.
فرارو- آهن میتواند باعث افزایش طول عمر باتریهای سدیم-یون پرانرژی شود.
به گزارش فرارو به نقل از تکاکسپلور، باتریهای لیتیوم-یون (LiBs) که با جابهجایی یونهای لیتیوم میان دو الکترود موسوم به کاتد و آند شارژ و دشارژ میشوند، همچنان پرکاربردترین باتریهای قابلشارژ در سراسر جهان به شمار میروند. با این حال، طی دهههای گذشته، مهندسان حوزه انرژی در حال ارزیابی پتانسیل باتریهای قابلشارژ جایگزینی بودهاند که بر پایه مواد و یونهای متفاوتی ساخته میشوند.
این باتریها شامل باتریهای سدیم-یون هستند که در عوض، یونهای سدیم با بار مثبت را بین آند و کاتد جابجا میکنند. از آنجایی که سدیم فراوانتر از لیتیوم است، این باتریها میتوانند به طور بالقوه مقرون به صرفهتر از باتریهای لیتیوم-یونی باشند.
الکترود مثبت در بسیاری از باتریهای سدیم-یون که قبلاً توسعه یافتهاند، از یک اکسید لایهای ساخته شده است، یک ماده کریستالی متشکل از لایههای انباشته فلز-اکسیژن، که یونهای سدیم بین آنها قرار گرفتهاند. واکنشهای اکسایش-کاهش، فرآیندهای شیمیایی که به باتریها اجازه شارژ و دشارژ میدهند، معمولاً شامل انتقال الکترون متمرکز بر یونهای فلزی در کاتدهای اکسید لایهای هستند.
گاهی اوقات، اتمهای اکسیژن درون ساختار کریستالی کاتد نیز در این واکنشها نقش دارند. این میتواند چگالی انرژی، مقدار انرژی قابل ذخیره برای هر واحد از جرم باتری را افزایش دهد. مطالعات گذشته نشان داده است که اکسیژن اکسید شده در کاتدهای اکسید لایهای اغلب پس از شرکت در واکنشهای اکسایش-کاهش به حالت شیمیایی اولیه خود باز نمیگردد. هنگامی که یک باتری به طور مکرر شارژ و دشارژ میشود، برگشتپذیری محدود اکسیژن اکسید شده میتواند به کاتد آسیب برساند، که به نوبه خود میتواند عملکرد باتری را کاهش دهد.
محققان دانشگاه نانجینگ و سایر مؤسسات اخیراً استراتژی جدیدی را معرفی کردهاند که میتواند به غلبه بر این محدودیت باتریهای سدیم-یون کمک کند و دوام آنها را افزایش دهد. رویکرد پیشنهادی آنها، که در مقالهای منتشر شده در Nature Energy شرح داده شده است، مستلزم گنجاندن آهن در ماده کاتد برای تسهیل انتقال الکترونها به و از اکسیژن شبکه و بهبود برگشتپذیری واکنشهای اکسایش-کاهش اکسیژن شبکه است.
شیونگ چو، لیگوانگ وانگ و همکارانشان در مقاله خود نوشتند: «اکسایش-کاهش اکسیژن شبکه در اکسیدهای لایهای میتواند چگالی انرژی را افزایش دهد، اما برگشتپذیری محدود آن باعث بیثباتی ساختاری در طول چرخههای عمیق میشود. ما یک استراتژی با واسطه آهن برای تنظیم اکسایش-کاهش اکسیژن شبکه در کاتدهای اکسید لایهای توسعه میدهیم.»
استفاده از آهن به عنوان شاتل الکترونی
چو، وانگ و همکارانشان یک کاتد اکسید لایهای جدید ایجاد کردند که حاوی سدیم، منگنز، منیزیم، آهن و اکسیژن است و فرمول شیمیایی آن Na2/3Mn7/12Mg1/4Fe1/6O2 است. این ماده با دقت طراحی شده است تا اکسیژن موجود در شبکه آن بتواند در واکنشهای اکسایش-کاهش ذخیره انرژی شرکت کند و هنگام تخلیه باتری تقریباً به طور کامل به حالت شیمیایی اولیه خود بازگردد.
به طور خاصتر، یونهای آهن در ماده کاتد به عنوان واسطههای اکسایش-کاهش عمل میکنند. یونهای Fe⁴⁺ در هنگام شارژ، الکترونها را از اکسیژن شبکه میگیرند، در حالی که یونهای Fe²⁺ در هنگام تخلیه، الکترونها را به اکسیژن اکسید شده بازمیگردانند.
نویسندگان نوشتند: «در کاتد Na2/3Mn7/12Mg1/4Fe1/6O2، یونهای Fe به عنوان واسطههای اکسایش-کاهش عمل میکنند، به طوری که Fe4+ در هنگام شارژ، الکترونها را از اکسیژن شبکه میگیرد و Fe2+ در هنگام تخلیه از طریق مسیرهای شیمیایی، الکترونها را به اکسیژن اکسید شده بازمیگرداند.» «با کمک واسطه آهن، برگشتپذیری اکسایش-کاهش شبکه-اکسیژن به طور چشمگیری از ۷۵٪ به ۹۹٪ بهبود مییابد.»
به سوی باتریهای سدیم-یون پایدارتر و بادوامتر
محققان مجموعهای از آزمایشها را برای ارزیابی ماده کاتد خود انجام دادند و دریافتند که یونهای آهن به طور قابل توجهی برگشتپذیری واکنشهای اکسایش-کاهش شبکه-اکسیژن را افزایش میدهند. علاوه بر این، آنها از این ماده به عنوان کاتد در یک سلول کیسهای یون سدیم استفاده کردند و عملکرد سلول را در طول ۱۰۰ چرخه شارژ و دشارژ ارزیابی کردند.
نویسندگان نوشتند: «کاتد فعالشده با شبکه-اکسیژن، یک سلول کیسهای یون سدیم را قادر میسازد تا به چگالی انرژی ۲۰۶ وات ساعت بر کیلوگرم برسد و به طور پایدار برای ۱۰۰ چرخه در ۵۰ میلیآمپر بر گرم با حفظ ظرفیت ۸۷.۸٪ کار کند.»
یافتههای اولیه جمعآوریشده توسط محققان، پتانسیل اکسایش-کاهش شبکه-اکسیژن با واسطه آهن را برای بهبود پایداری چرخهای باتریهای سدیم-یون پرانرژی برجسته میکند. در آینده، این مطالعه میتواند الهامبخش سایر محققان انرژی برای طراحی کاتدهایی با ترکیبات و ویژگیهای مشابه باشد. در نهایت، کار اخیر چو، وانگ و همکارانشان میتواند به بهبود باتریهای سدیم-یون کمک کند و به طور بالقوه به تجاریسازی و پذیرش گسترده آنها کمک کند.
