در طی سالیان متمادی، محققان بسیاری تمرکز و تلاش خود را برای ساخت مواد کاتدی مختلف با قابلیت ذخیره مؤثر یون‌ها در الکترودهای باتری صرف کردند که در نتیجه آن، امروزه، دنیای فناوری در هر زمینه‌ای به باتری‌های لیتیومی متکی است. در مقابلِ اقدامات فراوانی که برای ساخت مواد کاتدی مختلف در باتری‌ها صرف شد، مواد آندی باتری‌های لیتیوم یون غالباً از گرافیت ساخته می‌شدند؛ فلذا پیشرفت چشمگیری در این حوزه کسب نشده است. ولی در چند سال اخیر و در حال حاضر، شرکت‌های بسیاری تلاش خود را برای ساخت باتری‌هایی با استفاده از آندهای سیلیکونی با بازده فوق‌العاده بکار بستند. هم اکنون نیز شرکت‌های استارتاپی بسیاری آندهایی با درصد بالای سیلیکون را با کاربرد در باتری‌های لیتیوم یون می‌سازند.
در شکل زیر به طور شماتیک، مقایسه‌ای بین گرایش سیلیکون و گرافیت به یون‌های لیتیوم نشان داده شده است.
محدودیت‌هایی که در جدول ذیل نشان داده شده‌اند، منجر به پودرشدن ذرات سیلیکون و عدم پایداری لایه مرزی بین الکترود و الکترولیت (SEI) خواهند شد که در نهایت منجر به فقدان ظرفیت باتری می‌شود. لذا برای غلبه بر این تغییرات، از دو راهکار عمده می‌توان استفاده کرد: یکی استفاده از فناوری نانو و دیگری پوشش‌دهی با مواد کربنی مختلف.
در شکل زیر نیز مقایسه‌ای بین مواد آندی مختلف که در باتری‌های لیتیوم یون بکار می‌روند، نمایش داده شده‌اند.
آندهای سیلیکونی نانوساختار:
دسترسی به آندهای سیلیکونی با اندازه ذرات در مقیاس نانو منجر به بهبود طول عمر و پایداری سرعت شارژ و دشارژ نسبت به آندهای سیلیکونی مشابه می‌شود. اینگونه آندها مساحت سطح زیادی را برای انتقال بار الکتریکی فراهم می‌کنند و از اینرو مقاومت انتقال بار بسیار پایینی را نشان می‌دهند؛ بنابراین فرایند لیتیوم‌زایی و لیتیوم‌زدایی را بدون ایجاد هیچگونه ترک‌خوردگی یا شکستی در ساختار الکترود به پیش خواهند برد.
مسلماً هرچه سرعت انتقال یون‌های لیتیوم بیشتر باشد، بازده سرعت افزایش یافته و خطر پودرشدگی ذرات الکترود نیز کاهش می‌یابد. تاکنون الکترودهایی با فرم‌های مختلف نانوساختاری سیلیکون تهیه شده‌اند نظیر نانوذرات، نانوسیم‌ها و ساختارهای نانوحفره که با ایجاد بستری متخلخل، فضای زیادی را برای انبساط حجم ذرات سیلیکون و ایجاد مسیرهای کوتاه جهت نفوذ یون‌های لیتیوم فراهم می‌کنند.
برای درک بهتر این موضوع بهتر است به شکل زیر نگاهی بیندازیم که طبق آن در اثر پیشروی چرخه‌های شارژ و دشارژ و افزایش قطر ذرات تشکیل‌دهنده آند، ترک‌خوردگی و شکست در ذرات ایجاد می‌شود.
آندهای سیلیکونی با پوشش کربن:
ذرات سیلیکون نانومقیاس در ترکیب با فرم‌های مختلف مواد کربنی، آندهایی با ظرفیت بسیار بالا را به صورت ترکیب Si/C حاصل می‌کنند. در طی چند سال اخیر، مواد کربنی که در ساختار آنها اتم‌هایی مثل نیتروژن، بور و سولفور دوپ می‌شوند، توجهات زیادی را به عنوان عوامل پوششی به خود جلب کرده‌اند؛ زیرا برهم‌کنش فوق‌العاده‌ای با یون‌های لیتیوم در مقایسه با اتم‌های کربن معمولی داشته و همچنین خواص الکتروشیمیایی بهتری هم در قیاس با الکترودهای کربنی بروز داده‌اند.
1) در مطالعه‌ای که اخیراً در مجله Royal Society of Chemistry به چاپ رسید، ترکیبات کربنی دوپ‌شده با اکسیژن و نیتروژن (Si@CNO) بازده الکتروشیمیایی فوق‌العاده‌ای را در دمای 25 و 55 درجه سانتیگراد نشان دادند.
2) ترکیب نانویی سیلیکون و گرافن نیز بسیار نویدبخش ظاهر شده است. گرافن به دلیل هدایت الکتریکی بسیار زیاد، مساحت سطح بالا و پایداری شیمیایی و مکانیکی منحصر بفرد در آندهای سیلیکونی به کار می‌رود.
3) ساختارهای کپسولی گرافن نیز در ترکیب با نانوذرات سیلیکون می‌توانند بر مشکل انبساط حجم سیلیکون در اثر لیتیوم‌زایی غلبه کنند. به علاوه، شبکه 3 بُعدی سیلیکون و گرافن پایداری چرخه‌پذیری و بازده فوق‌العاده‌ای را نشان داده و منجر به افزایش هدایت الکتریکی الکترود می‌شود.
روند تجاری‌سازی آندهای سیلیکونی:
شرکت نانوفناوری Sila یک شرکت استارتاپ آمریکایی است که فعالیت‌های جالبی را در ساخت آندهای سیلیکونی انجام داده که باعث افزایش ایمنی باتری‌ها گردیده و بدین ترتیب از تخریب باتری در طی چرخه‌های متوالی شارژ و دشارژ جلوگیری کرده است. استفاده از محصولات این شرکت منجر به ارتقای 40 درصدی ظرفیت باتری‌های لیتیوم یون شده است. روش بکاررفته در این محصولات این شرکت حاوی فشرده‌سازی اتم‌های سیلیکون در ماتریس خالی نانوذرات است. هنگامیکه آند سیلیکونی با یون‌های لیتیوم تشکیل پیوند می‌دهد، این یون‌ها فضای خالی موجود را پر کرده و مانع از جداشدن اتم‌های سیلیکون از یکدیگر می‌شوند.
در حال حاضر، این شرکت سرمایه‌ای 70 میلیون دلاری را برای تجاری‌سازی این فناوری جذب کرده است. با استفاده از این مبلغ، شرکت Sila قادر به تولید 20 مگاوات ساعت ظرفیت برای باتری‌هاست که با این رقم می‌توان بین 2 تا 10 میلیون ساعت هوشمند را تجهیز کرد.
در همین راستا، اخیراً شرکت خوروسازی BMW اعلام کرده که با توافق با شرکت Sila قصد دارد تا از این باتری‌ها تا سال 2023 در خودروهای الکتریکی خود استفاده کند و ظرفیت آنها را به میزان 10 تا 15 درصد افزایش دهد. از طرفی، شرکت Sila قرارداد همکاری را هم با شرکت فناوری Amperex که تأمین‌کننده باتری‌های شرکت‌های سامسونگ و اپل است، به امضا رسانده است.
رقابت در این عرصه با ورود شرکت‌های استارتاپی دیگری همچون Enovix، Angstron Materials و Enevate شدت یافته که همگی در حوزه تولید آندهای سیلیکونی برای باتری‌های لیتیوم یون فعالیت می‌کنند.
- شرکت Enovix که تحت پشتیبانی شرکت‌های Intel و Qualcomm قرار دارد، ادعا کرده که باتری‌های لیتیوم سیلیکونی را با قابلیت افزایش 50 درصدی انرژی آنها در گوشی‌های هوشمند بکار خواهد برد.
- به طور مشابه، آندهای سیلیکونی که تولیدی شرکت‌های Enevate و Angstron Materials توسط شرکت‌های خودروسازی و سازندگان قطعات الکترونیکی مورد ارزیابی قرار می‌گیرند.
در پایان می‌توان گفت که باتری‌های لیتیوم یونی که با آندهای سیلیکونی تولید می‌شوند، قیمت کمتری داشته و منجر به بهبود عملکرد خودروهای الکتریکی و گوشی‌ها و سایر قطعات الکترونیکی هوشمند می‌شوند.
امروزه تحقیقات بسیاری با هدف بهبود آندهای سیلیکونی در حال انجام هستند که فناوری نانو می‌تواند راهکاری مفید و اثربخش برای ارتقای نسل نوین باتری‌های لیتیوم یون به شمار آید. در هر صورت، تحقیقات بیشتری هم به منظور بهبود دانسیته توان، افزایش طول عمر، بهبود روش ساخت و کاهش قیمت باتری‌های لیتیوم یون مورد نیاز هستند تا در آینده شاهد افزایش رقابت در این عرصه و انقلابی چشمگیر در زمینه انرژی‌های تجدیدپذیر باشیم.
تهیه و تنظیم: علی صادقی