پژوهشگران ژاپنی با استفاده از شبیه‌سازی‌های ابررایانه‌ای نشان داده‌اند که یون‌های سدیم چگونه در آندهای کربن سخت خوشه تشکیل می‌دهند و درون آن‌ها حرکت می‌کنند. این مطالعه، اندازه بهینه نانوحفره‌ها و نواحی گذار مؤثر بر نفوذ و عملکرد نرخ شارژ/دشارژ در باتری‌های سدیم‑یونی را شناسایی کرده و دستورالعمل‌های طراحی مهمی برای بهینه‌سازی آندهای کربن سخت، افزایش چگالی انرژی، بهبود چرخه‌پذیری و تسریع تجاری‌سازی این باتری‌ها ارائه می‌دهد.

دانشمندان مؤسسه علوم توکیو (Science Tokyo) با بهره‌گیری از شبیه‌سازی‌های پیشرفته ابررایانه‌ای، فیزیک حاکم بر آندهای کربن سخت (Hard Carbon – HC) در باتری‌های سدیم‑یونی (NIBs) را با جزئیات اتمی بررسی کرده‌اند.

کربن سخت یکی از اجزای کلیدی باتری‌های سدیم‑یونی پیشرفته به شمار می‌رود؛ باتری‌هایی که در سال‌های اخیر به دلیل فراوانی سدیم و هزینه بالقوه کمتر نسبت به لیتیوم، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. با نزدیک شدن این فناوری به مرحله تجاری‌سازی، چالش اصلی پژوهشگران درک این موضوع بوده است که یون‌های سدیم چگونه در دماهای عملیاتی داخل حفره‌های کربن سخت خوشه تشکیل می‌دهند و چرا تحرک کلی آن‌ها نسبتاً کند باقی می‌ماند.

کشف گلوگاه نفوذ یون‌های سدیم در مقیاس اتمی

«من معتقدم ما نخستین گروهی هستیم که تشکیل خوشه‌های سدیم (Na) را در نانوحفره‌های کربن سخت نشان داده‌ایم. همچنین برای اولین بار، گلوگاه نفوذ یون‌های سدیم در کربن سخت در مقیاس اتمی تحلیل و به‌صورت بصری نمایش داده شده است»، چه‑آن لین، نویسنده مسئول مقاله، در گفت‌وگو با pv magazine توضیح داد.

او افزود: «نتایج ما نشان می‌دهد که یون‌های سدیم در بخش عمده‌ای از ساختار کربن سخت، ضریب نفوذ بالایی دارند و این نواحی گذار بین فاصله‌های بزرگ و باریک لایه‌های گرافنی هستند که مانع اصلی نفوذ یون سدیم محسوب می‌شوند. بنابراین اگر بتوان ساختار کربن سخت را به‌صورت هدفمند بهینه‌سازی کرد، امکان بهبود چشمگیر توان نرخ (Rate Capability) وجود دارد.»

چگالی انرژی؛ مانع اصلی تجاری‌سازی گسترده

لین تأکید کرد که چگالی انرژی مهم‌ترین چالشی است که پیش از تجاری‌سازی گسترده باتری‌های سدیم‑یونی باید بر آن غلبه کرد. به گفته او، در حال حاضر برخی شرکت‌ها تولید انبوه باتری‌های سدیم‑یونی را آغاز کرده یا در حال برنامه‌ریزی برای آن هستند. بیشتر محصولات تجاری این حوزه بر شارژ و دشارژ سریع و دامنه دمای کاری گسترده تمرکز دارند؛ ویژگی‌هایی که دستیابی به آن‌ها در باتری‌های لیتیوم‑یونی دشوارتر است. از این رو، باتری‌های سدیم‑یونی می‌توانند به‌عنوان فناوری مکمل باتری‌های لیتیوم‑یونی نقش مهمی در بازار ذخیره‌سازی انرژی ایفا کنند.

نقش باتری‌های سدیم‑یونی در آینده بدون کربن

یوشیتاکا تاتِی‌یاما، سرپرست گروه تحقیقاتی، در بیانیه‌ای اعلام کرد:

«در نهایت، گسترش استفاده از باتری‌های سدیم‑یونی باعث افزایش عرضه کلی باتری در جامعه می‌شود و از تحقق آینده‌ای کربن‌خنثی حمایت می‌کند. با تلفیق بینش‌های جدید به‌دست‌آمده، این مطالعه دستورالعمل‌های طراحی شفاف‌تری برای مواد کربن سخت با قابلیت ذخیره مؤثر سدیم ارائه می‌دهد و به توسعه باتری‌های سدیم‑یونی بهتر کمک می‌کند.»

شبیه‌سازی با ابررایانه Fugaku

تیم تاتِی‌یاما این پژوهش را با استفاده از چندین ابررایانه قدرتمند، از جمله Fugaku (یکی از ده ابررایانه سریع جهان) انجام داد. آن‌ها شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی مبتنی بر نظریه تابعی چگالی (DFT‑MD) با دقت بالا را اجرا کرده و آرایش‌های مختلف یون‌های سدیم و صفحات گرافنی را بررسی کردند.

نتایج نشان داد که یون‌های سدیم در نانوحفره‌ها، در مراحل اولیه از حالت جذب دوبعدی به حالت خوشه‌ای سه‌بعدی با ماهیتی شبه‌فلزی گذار می‌کنند. بر این اساس، پژوهشگران قطر بهینه نانوحفره برای ذخیره پایدار سدیم را حدود ۱٫۵ نانومتر تعیین کردند.

دستورالعمل‌های طراحی آند کربن سخت

در مقاله آمده است:

«بر اساس نتایج ما، می‌توان دستورالعمل‌هایی برای طراحی آند کربن سخت با ظرفیت سکویی (Plateau Capacity) بالا و سینتیک چرخه‌ای مناسب ارائه داد. برای دستیابی به ظرفیت سکویی بالا، باید اندازه و کسر حجمی حفره‌ها به‌دقت کنترل شود. اندازه بهینه حفره حدود ۱٫۵ نانومتر است و حفره‌های کوچک‌تر یا بزرگ‌تر از این مقدار می‌توانند به ناپایداری خوشه‌های سدیم منجر شوند. توزیع باریک اندازه حفره‌ها با میانگین حدود ۱٫۵ نانومتر، ظرفیت سکویی بالاتری ایجاد می‌کند.»

گلوگاه‌های ساختاری و عملکرد کند

این شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان داد که برخی یون‌های سدیم جذب‌شده در نقص‌های ساختاری، به‌جای عمل کردن به‌عنوان هسته‌های اولیه، با کاهش برهم‌کنش سدیم–کربن و محدود کردن فضای موجود، به تشکیل خوشه‌های سدیم کمک می‌کنند. علاوه بر این، اگرچه یون‌های سدیم در نواحی به‌خوبی متصل کربن سخت نفوذ سریعی دارند، نواحی انشعاب یا اتصال مجدد به‌عنوان گلوگاه‌های شدید مهاجرت یونی عمل می‌کنند.

پژوهشگران توضیح دادند: «این نواحی گذار باریک تا زمانی که نیروی دافعه کافی ایجاد شود، توسط یون‌های سدیم مسدود می‌شوند. همین موضوع یک مرحله محدودکننده نرخ ایجاد می‌کند که عملکرد کند این ماده را توضیح می‌دهد.»

انتشار نتایج

یافته‌های این تحقیق در مقاله‌ای با عنوان

“Unveiling Dominant Processes of Na Cluster Formation and Na-Ion Diffusion in Hard Carbon Nano-Pore: A DFT-MD Study”

در مجله Advanced Energy Materials منتشر شده است.

منبع: pv magazine global