ساخت "نانو الکترود سیلیکونی" مستحکم

پژوهشگران دانشگاه تگزاس با استفاده از نانوذرات سیلیکون، نانولوله کربنی و هیدروژل پلیمری موفق به ساخت آند جدیدی برای پیل‌های یون لیتیم شدند. این گروه برای ساخت این الکترود از روش سنتز فازی استفاده کردند که قابل استفاده برای تولید انبوه نیز است. این الکترود دارای ظرفیت دشارژ بیش از 1600 mAh/g بعد از 1000 بار شارژ/دشارژ با نرخ جریان 3.3 آمپر بر گرم است.

الکترود نانولوله/هیدروژل پلیمری رسانا/ نانوذره سیلیکونی (Si/PPy/CNT) به صورت کامل با استفاده از روش سنتز فاز محلول تولید می‌شود. برای ساخت این الکترود محققان مونومر پلیمر رسانا با اسید فتیک ترکیب کرده و به آن یک ترکیب آغاز کننده به نام آمونیوم پرسولفات اضافه کردند. نانولوله کربنی و نانوذرات سیلیکون نیز که در بازار به صورت تجاری به فروش می‌رسد تهیه شد و به این محلول اضافه گردید.

ترکیب آغاز کننده موجب شروع واکنش پلیمریزاسیون می‌شود که با این کار یک پوشش پلیمری روی سطح نانوذرات سیلیکون تشکیل شده و یک شبکه هیدروژل سه بعدی ایجاد می‌شود. بعد از 10 دقیقه، یک دوغاب شکل می‌گیرد که از آن برای پوشش دهی سطح سیم مسی استفاده می‌شود؛ بعد از این مرحله آند آماده می‌شود.

سیلیکون ماده‌ای ارزان برای ساخت آند باتری یون لیتیم است زیرا به صورت نظری ظرفیت آن 4200 mAh/g است، این رقم ده برابر بیشتر از جریانی است که در حال حاضر از آندهای گرافیتی به‌دست می‌آید. از آنجایی که سیلیکون بعد از شارژ شدن تا 400 برابر متورم می‌شود، در نتیجه بعد از چندین بار شارژ/دشارژ شدن دچار ترک خوردگی شده که این کار موجب کاهش عمر باتری می‌شود.

برای حل این مشکل محققان این الکترود جدید را ساختند که در آن از ماتریکس پلیمری سه بعدی استفاده شده‌است که سیلیکون‌ در آن می‌تواند بدون مشکل متورم شود. وجود یک لایه 20 نانومتری از پلیمر در اطراف نانوذرات سیلیکون موجب افزایش پایداری آن می‌شود. نانولوله کربنی نیز به بهتر شدن عملکرد باتری کمک می‌کند، دلیل این امر هدایت الکتریکی بالای نانولوله کربنی است، علاوه براین، پیچیده شدن نانولوله‌های کربنی در اطراف فیبرهای پلی‌پیرول موجب افزایش استحکام مکانیکی الکترود می‌شود. پژوهشگران این پروژه معتقداند که از این الکترود می‌توان در زیست حسگرها و ابرخازن‌ها نیز استفاده کرد.

منبع : 3D nanostructured composite makes good battery anode