باتری‌های سدیم یون به دلیل ارزان بودن جایگزین مناسبی برای باتری‌های لیتیم یون است و به دلیل فراوان بودن عنصر سدیم، این نوع از باتری‌ها با مشکل محدودیت در منابع رو به رو نمی‌شوند. تحقیقات بی‌شماری در حوزه‌ی باتری‌های سدیم یون انجام شده است تا ظرفیت و طول عمر این باتری‌ها افزایش یابد. یکی از بزرگ‌ترین مشکلات باتری‌های سدیم یون، سینتیک کند در انجام واکنش‌ها و چگالی انرژی پایین است که با استفاده از نانوساختارها می‌توان اینگونه از مسائل را بر طرف نمود.

به تازگی محققان موسسه‌ی تحقیقاتی سینوپک به کمک عنصر مولیبدن توانستند یک باتری با طول عمر بسیار بالا بسازند که ظرفیت به نسبت بالایی داشته باشد. این محققان به کمک ترکیب سولفید مولیبدن (MoS₂) آند خود را سنتز کردند که ساختاری سه بعدی دارد. آن‌ها باتری خود را به تعداد 3000 سیکل شارژ و دشارژ کردند و به دلیل ساختار منحصر به فرد سنتز شده، از افت بیش از حد ظرفیت جلوگیری نمودند. شکل زیر تست شارژ و دشارژ در 3000 سیکل را نشان می‌دهد و مشاهده می‌شود که تا حدودی از افت ظرفیت ممانعت به عمل آمده است.

تست شارژو دشارژ برای آند سه بعدی سولفید مولیبدن

ترکیب سولفید مولیبدن، دارای ظرفیت 670mAh/g است و ساختاری لایه‌‌ای دارد و می‌تواند ورود و خروج یون‌های سدیم را بهبود بخشد. این ترکیب به دلیل هدایت الکتریکی پایین و افزایش حجم بالا، دچار محدودیت‌هایی شده است و باید به کمک روش‌هایی این محدودیت‌ها برطرف گردد. برای بر طرف کردن چالش‌های مربوطه می‌توان از ساختارهای با تخلخل بالا در ابعاد نانومتری بهره جست. علاوه بر این، پوشش‌دهی بر پایه‌ی کربن نیز هدایت الکتریکی ترکیبات را بالا می‌برد و می‌تواند ظرفیت بالاتری را به الکترود تحویل دهد. در این پژوهش، از لایه‌های دو بعدی اکسید گرافن به عنوان لایه‌ی نگهدارنده استفاده شده است. لایه‌های دو بعدی اکسید گرافن به کمک روش هامر سانتز شده‌اند که در شکل زیر این روش به طور مختصر نشان داده شده است.

روش هامر برای ساخت لایه‌های دو بعدی اکسید گرافن.

شکل زیر نحوه‌ی سنتز این گونه از ساختارها را نشان می‌دهد. در این روش ابتدا نانوذرات بر پایه‌ی اکسید سیلیکن به کمک پیش‌ماده‌ی TEOS ساخته شدند و سپس به کمک اکسید گرافن، این نانوذرات پوشش دهی شدند. سپس ساختار به دست‌ آمده را در ترکیبات حاوی مولیبدن قرار دادند و بعد از انجام فرایند‌های شیمیایی مورد نیاز، سولفید مولیبدن بر روی لایه‌های اکسید گرافن تشکیل گردید. بعد از این مرحله، اکسید سیلیکن به کمک اسید HF حذف شد تا ساختار سه بعدی از سولفید مولیبدن به دست آید.

فرایند سنتز آند سه بعدی سولفید مولیبدن

در این روش اکسید سیلیکن نقش ماده‌ی قربانی را بازی کرده تا ساختار سه بعدی‌تشکیل گردد. در واقع استفاده از لایه‌های قربانی در سنتز مواد کاری مرسوم است و توانایی منحصر به فردی به مواد می‌بخشد. در شکل زیر نانوذارت اکسید سیلیکن مشاهده می‌شود که به کمک پیش‌ماده‌ی TEOS ساخته شده‌اند. مشاهده می‌شود که این نانوذرات به شکل کره بوده و برای جذب بهتر، برای لایه‌های اکسید گرافن، آن‌ها را عامل‌دار کرده‌اند.

نانوذارت اکسید سیلیکن (سمت چپ) و نانوذرات اکسید سیلیکن عامل دار شده برای جذب صفحات اکسید گرافن (سمت راست).

در شکل زیر تصاویر میکروسکوپ الکترونی SEM و TEM برای ساختار نهایی مشاهده می‌شود. ملاحظه می‌گردد که بعد از حذف نانوذرات اکسید سیلیکن، ساختار سه بعدی به چه صورت پایدار مانده است. در این تصاویر، لایه‌های اکسید گرافن نیز مشاهده می‌شود که ساختاری دو بعدی دارند.

عکس‌های SEM و TEM برای آند سه بعدی سولفید مولیبدن.

برای درک بهتر ساختار، این محققان، آنالیز EDS را برای این ترکیب انجام دادند. در این آنالیز، میزان وجود عناصر مختلف برای ترکیب نهایی آورده شده است. در این شکل مقدار کربن از سایر مواد کمتر بوده که به دلیل لایه‌ای بودن اکسید گرافن این اتفاق افتاده است. اکسید گرافن در این ساختار نقش به سزایی دارد چرا که پایدار بودن ساختار بعد از حذف اکسید سیلیکن، به کمک لایه‌های دو بعدی اکسید گرافن محقق شده است.

آنالیز EDX برای اند سولفید مولیبدن

این آند به کمک روش‌های خلاقانه ساخته شد و توانست محدودیت‌های ترکیب سولفید مولیبدن را بر طرف سازد. با ایجاد یک ساختار سه بعدی، مشکل افزایش حجم بالای این ترکیب بر طرف شد و با استفاده از لایه‌ی اکسید گرافن، هدایت الکتریکی آن افزایش یافت.

منبع:

https://www.nature.com/articles/s41598-024-69959-3

3D MoS2/graphene oxide integrated composite as anode for high-performance sodium-ion batteries