ساخت سوپرباتری‌های لیتیوم‌ یونی به کمک دی سولفید مولیبدن و نانو لوله‌های کربنی

امیدهای اولیه در مورد کاربرد احتمالی MoS2 یا دی سولفید مولیبدن در افزاره‌های الکترونیک وقتی قوت گرفت که مشخص شد این ماده دارای شکاف‌هایی (ناخالصی‌ها یا تورفتگی‌هایی که قادرند الکترون‌ها یا حفره‌ها را به دام بیندازند) است که خواص الکترونیکی آن را محدود می‌کنند. از آن زمان به بعد، تحقیقات بیشتری بر روی این ماده برای به‌کارگیری در سایر ادوات الکترونیکی انجام شد.

یکی از کاربردهای جذاب این ماده، استفاده از آن در ساخت الکترودهای باتری‌های لیتیوم-یونی است که مطابق برخی از یافته‌های پژوهشی به طور اعجاب‌انگیزی سه برابر گرافیت ظرفیت دارد. با این حال، دی سولفید مولیبدن نیز همانند سایر مواد شیمیایی، دارای محدودیت‌ها و چالش‌های خاص خودش است. یکی از مشکلات پیش روی محققان برای استفاده از این ماده در ساخت باتری، سرعت تخریب آن و همچنین تخلیه یا دشارژ آهسته آن است.

به تازگی اما محققان دانشگاه صنعتی نانیانگ با همکاری تیمی از پژوهشگران دانشگاه هانیانگ در کره جنوبی، راهکاری را برای این معضل ارایه داده‌اند. استفاده از ساختارهای لوله‌ای دی سولفید مولیبدن که توسط نانو لوله‌های کربنی به هم متصل می‌شوند، راه‌حل پیشنهادی این دانشمندان برای افزایش قابلیت هدایت یا رسانایی MoS2 است.

مطابق این یافته‌های پژوهشی که در مجله ساینس ادونسز (Science Advances) منتشر شده است، این تیم بین‌المللی دست به توسعه راهی جدید برای سنتز ماده دی سولفید مولیبدن زده است.

این محققان ادعا می‌کنند که راهکار پیشنهادی آن‌ها از سایر استراتژی‌های ارایه شده قبلی برای بهبود کارایی الکتروشیمیایی الکترودهای ساخته شده از MoS2 مناسب‌تر است، چرا که الکترودهای جدید نه تنها از ظرفیت بالاتری برخوردارند (آمپرساعت در هر واحد از جرم) بلکه دارای سرعت شارژ و دشارژ بهتری بوده و دوام باتری طولانی‌تری نیز دارند.

علاوه بر اینکه کامپوزیت یا ترکیب نانولوله‌های کربنی و دی سولفید مولیبدن از کارایی مطلوب‌تری برخوردار است، فرآیند سنتز آن نیز آسان بوده و به راحتی قابل تکرار است.

فرآیند سنتز، شامل جاسازی یا تعبیه نانو لوله‌های کربنی در نانو فیبرهای پلیمری از طریق روش الکتروریسی (فرآیندی برای تولید انواع نانو الیاف‌ها و میکرو الیاف‌ها از محلول‌های پلیمری) است. در طی فرآیند الکتروریسی، نانو لوله‌های کربنی در امتداد خطوط حلال‌ها هم‌راستا می‌شوند. این امر منجر به ایجاد یک ساختار لوله‌ای-فیبری انعطاف‌پذیر می‌شود. یک لایه محافظ از سولفید کبالت نیز روی ترکیب لوله‌ای-فیبری نانو لوله‌ها و پلیمرها رشد داده می‌شود تا از وارد آمدن آسیب به این ساختار در طی فرآیند سنتز جلوگیری کرده و فرم یا ریخت مواد نهایی حفظ شود.

گام بعدی در این فرآیند، رشد دادن نانو صفحات نازک روی کامپوزیت یا ترکیب و حذف هم‌زمان پلیمرهاست. در این مرحله، ساختار لوله‌ای MoS2 شکل می‌گیرد. پس از آن، کامپوزیت یاد شده به مدت ۲ ساعت در دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده شده تا فرآیند تبلور یا بلورسازی دی سولفید مولیبدن کامل شود.

بزرگ‌ترین مزیت این رویکرد، تغییر سیستماتیک برخی از ویژگی‌های ساختار لوله‌ای است (مانند ضخامت پوسته لوله‌ها و تعداد نانو لوله‌های کربنی درون هر لوله) و این می‌تواند به نوبه خود منجر به افزایش کارایی الکترودها و در نتیجه توسعه باتری‌های لیتیوم-یونی با ظرفیت بالاتر شود.