گروهی از پژوهشگران با بهره‌گیری از نانوذرات قلع و کربن سخت، موفق به ساخت آندی با توان و چگالی انرژی بالا شده‌اند که می‌تواند گامی مهم در توسعه نسل بعدی باتری‌ها به شمار رود.
نیاز روزافزون به باتری‌هایی با قابلیت شارژ فوق‌العاده سریع و چگالی انرژی بالا در صنایع مختلف، از خودروهای الکتریکی گرفته تا سیستم‌های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ، محققان دانشگاه علم و فناوری و موسسه تحقیقات انرژی کره را بر آن داشت تا نسل جدیدی از آندها را توسعه دهند که قادر به پاسخگویی به این نیازهای اساسی باشند.
در حالی که گرافیت به عنوان رایج‌ترین ماده برای ساخت آند در باتری‌های لیتیوم یونی، پایداری ساختاری مناسبی ارائه می‌دهد، ظرفیت پایین و نرخ شارژ/دشارژ محدود آن، مانع از عملکرد بهینه می‌شود. برای رفع این محدودیت‌ها، محققان رویکردی نوین را در ساخت الکترودی متشکل از کربن سخت و قلع (Sn) در پیش گرفتند.
کربن سخت، ماده‌ای کربنی نامنظم با ساختاری متخلخل و مسیرهای فراوان است که انتقال سریع یون‌های لیتیوم و سدیم را تسهیل می‌کند. این ساختار امکان دستیابی به ذخیره انرژی بالا و استحکام مکانیکی را به طور همزمان فراهم می‌آورد و آن را برای کاربردهای نیازمند سرعت بالا و عمر طولانی ایده‌آل می‌سازد.
با این حال، ترکیب قلع با چالش‌هایی همراه بود. کاهش اندازه ذرات قلع به ابعاد نانو، انبساط حجمی نامطلوب را به طور موثرتری کاهش داده و پایداری کلی را افزایش می‌دهد. اما نقطه ذوب پایین قلع (حدود ۲۳۰ درجه سانتیگراد)، سنتز چنین ذرات ریزی را دشوار می‌سازد. محققان با استفاده از فرآیند سل-ژل و به دنبال آن کاهش حرارتی، موفق به جاسازی یکنواخت نانوذرات قلع با اندازه زیر ۱۰ نانومتر در ماتریس کربن سخت شدند.
این 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 پیوندهای برگشت‌پذیر Sn-O به افزایش ظرفیت باتری از طریق واکنش‌های تبدیلی کمک می‌کند.
الکترود طراحی شده عملکرد چشمگیری را در باتری‌های لیتیوم یون به نمایش گذاشته است و پایداری خود را پس از ۱۵۰۰ چرخه در شرایط شارژ سریع ۲۰ دقیقه‌ای حفظ می‌کند، ضمن آنکه به چگالی انرژی حجمی ۱.۵ برابر بیشتر از آندهای گرافیتی معمولی دست می‌یابد. این دستاورد، ادغام موفقیت‌آمیز توان بالا، انرژی بالا و عمر چرخه طولانی را در یک الکترود واحد نشان می‌دهد.
این الکترود همچنین عملکرد قابل توجهی را در باتری‌های سدیم یون از خود نشان داده است. یون‌های سدیم معمولاً واکنش‌پذیری ضعیفی با مواد آند رایج مانند گرافیت یا سیلیکون دارند. با این حال، ساختار نانوکامپوزیت کربن سخت-قلع، پایداری عالی و عملکرد سریع را در محیط‌های سدیمی حفظ می‌کند و بر تطبیق‌پذیری این فناوری جدید در پلتفرم‌های مختلف باتری تاکید دارد.
این پژوهش، گامی نوین در مسیر توسعه نسل بعدی باتری‌های پربازده محسوب می‌شود و نویدبخش کاربردهای گسترده در خودروهای الکتریکی، سیستم‌های هیبریدی و سیستم‌های ذخیره انرژی در مقیاس شبکه است.
