اکو تحلیل- پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر با همکاری پژوهشگاه صنعت نفت، با استفاده از دوپینگ همزمان قلع (Sn⁴⁺) و گرافن نیتروژن‌دار در نانوکامپوزیت کاتد Li₂FeSiO₄، موفق به افزایش چشمگیر ظرفیت، رسانایی و پایداری چرخه‌ای باتری‌های لیتیوم‌یون شدند. این دستاورد که در مجله معتبر Springer منتشر شده، راه را برای تولید کاتدهای بومی با هزینه کمتر، ایمنی بالاتر و کارایی مناسب برای خودروهای برقی و سیستم‌های ذخیره انرژی تجدیدپذیر هموار می‌کند.
چالش کاتدهای LFS و راهکار پژوهشگران امیرکبیر

به گزارش اکوتحلیل باتری‌های لیتیوم‌یون امروزه در خودروهای برقی، تجهیزات الکترونیکی و سیستم‌های ذخیره انرژی نقشی حیاتی ایفا می‌کنند. با این حال، یکی از مشکلات اصلی این باتری‌ها، ظرفیت محدود و ناپایداری ساختار کاتد در طول شارژ و دشارژ است.

مواد پایه سیلیکات آهن (LFS) به دلیل پایداری بالا و قیمت پایین فلزاتشان بسیار جذاب‌اند، اما رسانایی پایین الکتریکی و یونی عملکرد آنها را محدود می‌کند.

صبا زمردی، دانش‌آموخته دکتری دانشگاه صنعتی امیرکبیر، با هدایت و راهنمایی دکتر پیروز مرعشی و دکتر زهرا صادقیان از اعضای هیئت علمی این دانشگاه و پژوهشگاه صنعت نفت، طرحی را با عنوان «بررسی تأثیر دوپینگ قلع (Sn⁴⁺) در نانوکامپوزیت Li₂FeSiO₄/گرافن دوپ‌شده با نیتروژن بر خواص الکتروشیمیایی باتری‌های لیتیوم-یون» اجرایی کرد.

فناوری دوپینگ همزمان؛ هنر مهندسی بهبود ساختار

پژوهشگران برای رفع مشکل رسانایی پایین کاتدهای LFS، از دوپینگ همزمان قلع (Sn⁴⁺) و ترکیب با گرافن دوپ‌شده با نیتروژن استفاده کردند.

روند اجرای طرح:

  1. سنتز ماده فعال کاتدی با ترکیبات اولیه شامل نمک لیتیوم و ترکیبات آهن با روش ساده و سریع حالت جامد

  2. دوپینگ قلع در جایگاه مهندسی‌شده ساختار

  3. ترکیب نانوکامپوزیت حاصل با گرافن دوپ‌شده با نیتروژن برای ایجاد ساختار رسانای یونی و الکترونی اصلاح‌شده

دشوارترین بخش پروژه، کنترل دقیق فرآیند دوپینگ و جلوگیری از تشکیل فازهای ناخواسته در ساختار LFS بود. این کار نیاز به تنظیم دقیق دما، زمان و ایجاد یک روش تولید اصلاح‌شده با ترکیب مواد اولیه متفاوت داشت تا خواص الکتروشیمیایی بهینه با بالاترین خلوص حاصل شود.

نمونه‌ها با دستگاه‌های مشخصه‌یابی دقیق همچون XRD، SEM، FTIR، XPS و Raman و آزمون‌های الکتروشیمیایی (CV، EIS و چرخه‌پذیری در صد چرخه شارژ و دشارژ) مورد بررسی قرار گرفتند.

نتایج؛ افزایش چشمگیر ظرفیت و پایداری

این پژوهش موفق شد ظرفیت و پایداری چرخه‌ای کاتد LFS را به‌صورت چشمگیری افزایش دهد.

ویژگی دستاورد
رسانایی الکتریکی و یونی افزایش‌یافته با دوپینگ همزمان قلع و گرافن نیتروژن‌دار
ظرفیت ویژه نزدیک به مقدار مطرح‌شده تئوری
پایداری چرخه‌ای بهبود چشمگیر نسبت به نمونه‌های مرجع
ایمنی حرارتی بالا
مواد اولیه کم‌هزینه و فراوان در طبیعت
سازگاری با محیط زیست بالا
سهولت و سرعت تولید روش‌های سنتز کم‌هزینه و قابل توسعه صنعتی

استفاده از دوپینگ همزمان قلع و گرافن نیتروژن‌دار در کاتد LFS به عنوان «یک هنر مهندسی بهبود ساختار» باعث افزایش رسانایی الکتریکی و تسهیل انتقال یون‌های لیتیوم شد.

کاربردها و چشم‌انداز تجاری‌سازی

این دستاورد می‌تواند مسیر را برای ساخت کاتدهای بومی با عملکرد بالا هموار کند و در آینده برای تجاری‌سازی باتری‌های لیتیوم‌یون ایرانی با هزینه کمتر، کارایی بالاتر و تولید آسان‌تر مورد استفاده قرار گیرد.

زمینه‌های کاربرد:

  • خودروهای برقی و هیبریدی

  • سیستم‌های ذخیره انرژی خورشیدی و بادی

  • تجهیزات الکترونیکی قابل شارژ

  • پاوربانک‌ها و ابزارهای صنعتی

مزایای کلیدی طرح:

  • ارتقای راندمان باتری بدون نیاز به فلزات گران‌قیمت

  • قابلیت تولید بومی با مواد اولیه داخلی

  • سازگار با محیط زیست و ایمنی حرارتی بالا

بخشی از این تحقیق در قالب مقاله‌ای با عنوان “Synergistic enhancement of Li₂FeSiO₄ cathode material via Sn(IV) and nitrogen-doped rGO co-doping strategy for lithium-ion batteries” به ژورنال Springer ارسال شده است. تازگی این کار در استفاده همزمان از دو عامل بهبوددهنده (Sn⁴⁺ و گرافن N-دوپ‌شده) و اثر هم‌افزایی آنها بر عملکرد کاتد است. همچنین دستاوردهای دیگر این پروژه در ژورنال AUT Journal of mechanical engineering و اولین کنفرانس بین‌المللی باتری‌های یون لیتیوم (LBC ۲۰۲۴) در قالب سخنرانی اطلاع‌رسانی شد.

تحلیل اکو تحلیل

درس پیام برای فعالان اقتصادی و سرمایه‌گذاران
کاهش وابستگی به واردات باتری با توجه به رشد صنعت خودروهای برقی در جهان و نیاز روزافزون به باتری‌های لیتیوم‌یون، تولید کاتدهای بومی با عملکرد بالا می‌تواند وابستگی به واردات را کاهش داده و امنیت supply chain را برای صنعت خودرو و انرژی کشور افزایش دهد
فرصت سرمایه‌گذاری در حوزه باتری‌های کم‌هزینه استفاده از مواد اولیه فراوان و کم‌هزینه (آهن و سیلیکات) به جای فلزات گران‌قیمت مانند کبالت و نیکل، می‌تواند هزینه تمام‌شده باتری‌ها را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد و حاشیه سود تولیدکنندگان را افزایش دهد
پتانسیل صادراتی فناوری بومی با توجه به استقبال جهانی از خودروهای برقی و سیستم‌های ذخیره انرژی، این فناوری می‌تواند به فرصتی برای صادرات دانش فنی و محصولات مرتبط تبدیل شود
حمایت از شرکت‌های دانش‌بنیان تجاری‌سازی این دستاورد نیازمند حمایت از شرکت‌های دانش‌بنیان و تأمین مالی برای عبور از مرحله آزمایشگاهی به تولید صنعتی است. سرمایه‌گذاران می‌توانند با ورود به این حوزه، از پیشگامی در یک بازار رو به رشد بهره‌مند شوند
همکاری دانشگاه و صنعت این پروژه که با همکاری دانشگاه صنعتی امیرکبیر و پژوهشگاه صنعت نفت انجام شده، نمونهای از همکاری مؤثر بین مراکز علمی و صنعت برای حل چالش‌های واقعی است

نکته کلیدی: 

دستاورد پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر در بهبود عملکرد کاتدهای LFS با دوپینگ همزمان قلع و گرافن نیتروژن‌دار، یک گام بلند در مسیر خودکفایی صنعت باتری کشور محسوب می‌شود. این فناوری که با استفاده از مواد اولیه کم‌هزینه و فراوان به افزایش چشمگیر ظرفیت، رسانایی و پایداری چرخه‌ای دست یافته، می‌تواند هزینه تولید باتری‌های لیتیوم‌یون را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهد و زمینه را برای توسعه خودروهای برقی بومی و سیستم‌های ذخیره انرژی تجدیدپذیر فراهم کند. با توجه به انتشار این مقاله در مجله معتبر Springer و ارائه در کنفرانس بین‌المللی LBC ۲۰۲۴، این دستاورد از اعتبار علمی و قابلیت رقابت جهانی برخوردار است. فعالان اقتصادی و سرمایه‌گذاران باید این فرصت را برای حمایت از تجاری‌سازی و ورود به بازار رو به رشد باتری‌های لیتیوم‌یون مغتنم بشمارند.