آندهای سیلیکونی: چالش ها و راه حل ها

باتری های لیتیوم یون در طی دهه های اخیر، همواره به عنوان منابع انرژی نویدبخشی برای انواع وسایل الکترونیکی شناخته شده و اهمیت فوق العاده ای را در زندگی بشریت پیدا کرده اند. چگالی انرژی بالا، دسترسی به مواد اولیه، چرخه پذیری مناسب و قابلیت تحمل جریان های مختلف و تنوع در مواد مختلف کاتدی از جمله ویژگی های شایان ذکر این باتری هاست. ترکیبات کاتد این باتری ها از انواع اکسیدهای فلزی و الکترولیت آنها از محلول نمک لیتیومی در حلال های آلی تشکیل شده است. همچنین از آندهای گرافیتی به دلیل فراوانی زیاد و دسترسی راحت به منابع اولیه، هدایت بالا و هزینه پایین آنها در این باتری ها استفاده می شود. ولی ظرفیت پایین این آندها همیشه به عنوان یکی از چالش های اساسی پیش روی محققان به شمار آمده و تلاش زیادی برای رفع آن تخصیص یافته است. از همین رو، یکی از راه حل های نویدبخش در سالیان اخیر، استفاده از ترکیبات سیلیکونی در آند باتری بوده که می تواند ظرفیت قابل توجهی را ایجاد کند. از جمله مزایای سیلیکون می توان به مواردی از قبیل هزینه پایین، دوست دار محیط زیست، منابع اولیه فراوان (دومین عنصر فراوان در پوسته زمین)، ظرفیت تئوری بالا (mAh/g ۴۲۰۰) در قیاس با گرافیت (mAh/g ۳۷۲) و پتانسیل الکتروشیمیایی پایین نسبت به لیتیوم (V ۴۵/۰ – ۳۷/۰) اشاره کرد که قرابت خوبی با گرافیت دارد. از طرفی، این ماده با چالش های مختلفی نظیر هدایت ناکافی، تغییر حجم گسترده در اثر شارژ و تخلیه باتری و تشکیل لایه الکترولیت جامد بین فازی (SEI) ناپایدار در سطح مشترک الکترود-الکترولیت روبه رو است که از منظر شیمیایی منجر به ترک خوردگی و پودرشدن مواد شده و اتصال مواد فعال با جمع کننده جریان را از بین می برد و از منظر اقتصادی نیز کاربرد تجاری آندهای سیلیکونی را با محدودیت مواجه می کند. بنابراین همواره تلاش محققان بر تهیه ترکیبات متنوع سیلیکون-کربن معطوف بوده تا آندهای مناسبی را برای کاربرد در باتری های لیتیوم یون معرفی کنند. استفاده از بسترهای کربنی مختلف نظیر گرافن و نانولوله های کربنی در ترکیب با سیلیکون و همچنین سنتز مواد نانوساختار (کمتر از nm ۱۵۰) نه تنها می تواند هدایت الکتریکی آند را افزایش دهد؛ بلکه با ایجاد فضای کافی برای تغییر حجم ذرات سیلیکون قادر است تا مانع از پودرشدن مواد فعال در طی چرخه های شارژ و تخلیه باتری شده و از این رو بازده سیکل پذیری باتری را ارتقا و ظرفیت برگشت پذیر آنها را بهبود دهد. در این مقاله مروری سعی شده تا با بررسی چالش های مختلف موجود در مسیر تجاری سازی آندهای سیلیکونی، زمینه های رفع آنها در بخش های مختلف سنتز مواد نانوساختار، سنتز ترکیبات متخلخل، نقش اتصال دهنده های گوناگون و سنتز ترکیبات مختلف سیلیکون با کربن بررسی شده و راهکارهای مناسب جهت پیشرفت در این حوزه و استفاده هر چه بهتر و بیشتر از این مواد در نسل آینده باتری های لیتیوم یون ارزیابی و معرفی گردند.

Keywords:

آند سیلیکونی , باتری لیتیوم یون , سیلیکون نانوساختار , آند آلیاژی