باتری‌های لیتیوم فلزی ایمن با استفاده از گرافن

پروفسور کیانگ ژانگ، استاد دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه سینگوآ می‌گوید: «باتری‌های یون لیتیومی پاسخگوی انرژی مورد نیاز در ابزارهای الکترونیکی قابل حمل و خودروهای برقی نیستند. تحقیقات زیادی روی باتری‌های آند لیتیوم فلزی همچون باتری‌های لیتیوم-گوگرد یا لیتیوم-هوا صورت گرفته است. فلز لیتیوم از نظر تئوری قابلیت ذخیره انرژی بسیار بالاتری (تا ۱۰ برابر بیشتر از گرافیت) را دارد. با این حال استفاده عملی از فلز لیتیوم به دلیل تشکیل دندریت‌های لیتیوم در چرخه‌های پیوسته شارژ و تخلیه باتری به شدت محدود شده است. تشکیل این دندریت‌ها منجر به کاهش بسیار زیاد کارایی این چرخه‌ها می‌شود». رشد دندریت‌ها و اینترفاز ناپایدار الکترولیت جامد مقدار بسیار زیادی از الکترولیت و لیتیوم را مصرف کرده و منجر به کاهش غیر قابل بازگشت ظرفیت باتری می‌شود. در نتیجه جلوگیری از رشد دندریت‌ها بسیار مهم است.
راهکارهای مختلفی برای جلوگیری از رشد دندریت‌ها از طریق تغییر الکترولیت، لایه‌های اینترفاز الکترولیت جامد مصنوعی، ساختار الکترود و غیره پیشنهاد شده است. روی ژانگ، دانشجوی دکترای این دانشگاه و نویسنده اول مقاله این کار می‌گوید: «ما دریافتیم که با کاهش قابل توجه چگالی جریان موضعی می‌توان از رشد دندریت‌ها جلوگیری کرد. بر این اساس از گرافن غیرتوده‌ای با مساحت سطحی بسیار بالا برای ساخت یک آند نانوساختار بهره بردیم. این یک ایده بسیار کارا بود. به علاوه، از الکترولیت دونمکی برای ایجاد اینترفاز الکترولیت جامد پایدارتر و انعطاف‌پذیرتر استفاده کردیم. این کار از واکنش بیشتر فلز لیتیوم با الکترولیت جلوگیری می‌کند».
این آند گرافنی مزایای زیادی دارد که می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
۱) چگالی جریان بسیار پایین روی سطح آند گرافنی (یک‌ده‌هزارم آنچه در آندهای معمولی فویل مسی وجود دارد) که در اثر مساحت سطحی بسیار بالای ۱۶۶۶ متر مربع بر گرم ایجاد می‌شود. این چگالی پایین جریان از تشکیل دندریت‌های لیتیومی جلوگیری کرده و موجب رسوب‌دهی لیتیوم با مورفولوژی یکنواخت‌تر می‌شود.
۲) ظرفیت چرخه بسیار پایدار ۴ میلی‌آمپر ساعت بر میلی‌گرم که توسط حجم بالای حفرات گرافن غیرتوده‌ای (۶۵/۱ سانتی‌متر مکعب بر گرم) ایجاد می‌شود. این مقدار بیش از ۱۰ برابر بالاتر از ظرفیت گرافیت در باتری‌های یون لیتیومی (۳۷۲/۰ میلی‌آمپر ساعت بر میلی‌گرم) است.
۳) رسانایی الکتریکی بسیار بالا (۴۳۵ زیمنس بر سانتی‌متر) که منجر به مقاومت ظاهری سطح تماسی پایین، شارژ و تخلیه پایدارتر و چرخه شارژ/تخلیه کاراتر می‌شود.
جزئیات این تحقیق در مجله Advanced Materials منتشر شده است.