تقاضا برای باتری‌هایی با قابلیت شارژ فوق‌العاده سریع و چگالی انرژی بالا در بخش‌های مختلف از وسایل نقلیه الکتریکی گرفته تا سیستم‌های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ (ESS) رو به رشد است و یک گروه تحقیقاتی از دانشگاه علم و فناوری و مؤسسه تحقیقات انرژی کره، نسل بعدی آنُدهای امیدوارکننده‌ای را توسعه داده‌اند که ممکن است این نیازهای حیاتی را برطرف کند.

به نقل از اس‌اف، در حالی که گرافیت، رایج‌ترین ماده برای ساخت آنُد در باتری‌های لیتیوم یونی (LIBs) است و پایداری ساختاری قوی را ارائه می‌دهد، اما به دلیل ظرفیت پایین و نرخ شارژ/دشارژ پایین محدود شده است. برای غلبه بر این محدودیت‌ها، محققان یک طرح برای ساخت یک الکترود جدید را پیشنهاد کرده‌اند که کربن سخت با قلع (Sn) در آن ترکیب شده است.

کربن سخت یک ماده کربنی نامنظم با ریز منافذ و مسیرهای فراوان است که انتشار سریع یون‌های لیتیوم و سدیم را تسهیل می‌کند. این ساختار هم ذخیره انرژی بالا و هم استحکام مکانیکی را امکان پذیر می‌کند و این ویژگی، آن را برای کاربردهای با سرعت بالا و عمر طولانی ایده‌آل می‌کند.

با این حال، ترکیب قلع چالش دیگری را ایجاد کرد. هرچه ذرات قلع کوچکتر باشند، به طور مؤثرتری انبساط حجمی مشکل‌ساز، کاهش و ثبات کلی افزایش می‌یابد، اما متاسفانه، نقطه ذوب پایین قلع (حدود ۲۳۰ درجه سانتیگراد) سنتز چنین ذرات ریزی را دشوار می‌کند. محققان با استفاده از فرآیند سُل-ژل و به دنبال آن کاهش حرارتی، به این موضوع پرداختند و با موفقیت نانوذرات قلع زیر ۱۰ نانومتری توزیع شده یکنواخت را در ماتریس کربن سخت جاسازی کردند.

نانوذرات قلع نه تنها به عنوان مواد فعال عمل می‌کنند، بلکه به عنوان کاتالیزورهایی عمل می‌کنند که باعث تبلور کربن سخت می‌شوند. در طول چرخه الکتروشیمیایی، تشکیل برگشت پذیر پیوندهای Sn-O به افزایش ظرفیت باتری از طریق واکنش‌های تبدیلی کمک می‌کند.

الکترود مهندسی شده عملکرد بسیار خوبی را در باتری‌های لیتیوم یون نشان داده است، عملکرد پایدار را در ۱۵۰۰ چرخه تحت شرایط شارژ سریع ۲۰ دقیقه‌ای حفظ می‌کند، در حالی که به چگالی انرژی حجمی ۱.۵ برابر بیشتر از آندهای گرافیت معمولی دست می‌یابد. این دستاورد نشان‌دهنده‌ ادغام موفقیت‌آمیز توان بالا، انرژی بالا و عمر چرخه طولانی در یک الکترود است.

این الکترود همچنین عملکرد فوق‌العاده‌ای را در باتری‌های سدیم یون (SIBs) نشان داده است. یون‌های سدیم معمولا واکنش‌پذیری ضعیفی با مواد آند معمولی مانند گرافیت یا سیلیکون نشان می‌دهند. با این حال، ساختار نانو کامپوزیت سخت کربن-قلع، پایداری عالی و سریع را در محیط‌های سدیمی حفظ می‌کند و این بر تطبیق پذیری باتری جدید در چندین پلتفرم باتری تاکید دارد.

این مطالعه نشان دهنده نقطه عطف جدیدی در توسعه نسل بعدی باتری‌ها با کارایی بالا است و نویدبخش برنامه‌های کاربردی در وسایل نقلیه الکتریکی، سیستم‌های هیبریدی و ESS در مقیاس شبکه است.