در حال حاضر یکی از مهمترین گزینه های مطرح شده برای جایگزینی باتری های لیتیوم یون معمولی، باتریهای لیتیوم سولفور می باشند. چگالی انرژی این نوع از باتریها بالاتر از انواع مختلف باتری های لیتیوم یون هست ( بیش از 500 Wh/kg). عنصر گوگرد به عنوان یک ماده ارزان و فراوان در طبیعت بسیار مورد توجه صنعتگران و محققان حوزهی باتری قرار گرفته است. چرا که دو ویژگی “سازگاری با محیط زیست” و “هزینه ی پایین” را در بر دارد. به تازگی محققان با روش الکتروریسی، ساختاری کاربردی برای کاتدهای باتری لیتیوم سولفور فراهم آوردند.
چالش فناوری الکتروریسی
با همه این مزایا مشکلاتی اساسی در روش الکتروریسی وجود دارد. سه چالش اصلی که توجه پژوهشگران این حوزه را به خود معطوف کرده است عبارتند از:
- اثر شاتل پلی سولفید: پلیسولفیدهای لیتیومدار میتواند در الکترولیت هایی که در باتری های لیتیومی معمولی استفاده میشوند، حل شده و از الکترود جدا شود. در نتیجه ماده فعال کاتدی یعنی گوگرد رفته رفته کاهش یافته و ظرفیت باتری به سرعت افت میکند.
- تغییر حجم زیاد گوگرد: یون های لیتیوم موجود در کاتد و آند باتری فضایی را اشغال می کنند. در برخی مواد مانند کاتدهای NCM و یا LCO، درون نواحی کریستالی عمدتا فضای خالی وجود داشته تا یون لیتیوم درون آن قرار گیرد. به همین دلیل انبساط و انقباض زیادی در هنگام شارژ و یا دشارژ مشاهده نمیکنیم. اما این موضوع در مورد گوگرد صادق نیست؛ قرار گرفتن لیتیوم درون ساختار گوگرد باعث انبساط قابل توجه آن میشود (٪80). این موضوع موجب تخریب زودهنگام ساختمان کاتد میشود.
- رسانایی الکتریکی بسیار پایین گوگرد: گوگرد به دلیل داشتن هدایت الکتریکی کم، توانایی کمی در انتقال الکترونها به سمت خارج از باتری داشته که در این صورت موجب کاهش ظرفیت به دلیل افت پتانسیل زیاد میشود.
فناوری نانو ؛ راه حل فناوری الکتروریسی
در پژوهشی جدید دانشمندان برای غلبه بر مشکلات گفته شده به فناوری نانو روی آوردهاند .در این فناوری مواد و ساختارهای شیمیایی در ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر بررسی و مورد استفاده قرار گرفتهاند. اجسام در مقیاس نانو علیرغم شیمی یکسان خواص فیزیکی متفاوتی از خود نشان میدهند. میتوان از این تفاوت استفاده کرد و در بسیاری موارد از آن در راستای بهبود عملکرد مورد نظر، بهره گرفت.
” بیشتر بخوانید: طراحی بایندر مشکل باتریهای لیتیوم سولفور را حل کرد “
در این پژوهش محققان نوعی کامپوزیتی از گوگرد، کربن و مولیبدن طراحی کردند. در نتیجه نانو الیاف از این ماده به روش الکتروریسی (Electrospinning) یا برق ریسی تهیه کردند. با استفاده از آن در کاتد باتری های گوگرد لیتیومی موفق شدند عملکرد و عمر چرخه ای این نوع باتری ها را افزایش دهند.
مکانیزم فناوری نانو برای حل مسئله
عنصر گوگرد در داخل یک ماتریس از کربن قرارگرفته و محافظت میشود و به آسانی نمیتواند توسط الکترولیت از کاتد جدا شده و در آن پخش شود. در نتیجه پدیده شاتل پلی سولفید از این طریق تا حد زیادی کاهش می یابد. همچنین در این حالت به دلیل افزایش سطح تماس، فضای بیشتری برای جایگیری روی کاتد وجود دارد . درنتیجه مسیر حرکت آسانتر دراختیار یون های لیتیوم قرار میگیرد و مشکل انبساط و انقباض کاتد حین شارژ و دشارژ به دلیل افزایش تخلخل رفع میشود و تخریب ساختمان کاتد به میزان قابل ملاحظه ای کمتر میشود.
در مقیاس نانو مواد فعال در کاتد سطح تماس ویژه بسیار بیشتری خواهند داشت و واکنش های شیمیایی به دلیل وجود عنصر مولیبدن بازدهی بالاتری را ارائه می دهند. علاوه بر این، ترکیب MoS2 سولفور بیشتری برای کاتد به ارمغان می آورد. سولفور بیشتر باعث میشود تا ظرفیت نهایی باتری در حجم کمتر، مقدار بیشتری پیدا کند.
نتایج
طبق نتایج به دست آمده از آزمایش های انجام شده در این تحقیق نرخ فرسودگی و کاهش ظرفیت باتری 0.035% در هر چرخه گزارش شده است. همچنین بازدهی کولمبیک پس طی 400چرخه به میزان ٪99 به دست آمد. بازدهی کولمبیک مقیاس اندازه میزان شارژی است که از باتری پس گرفته میشود. این مقدار به میزان انرژی که در اصل به باتری وارد می کنید تقسیم شده است. بالا بودن بازده کلمبی به معنای برگشت پذیری خوب برای شیمی باتری است و معنای عمر بالا برای باتری را نشان میدهد.
منبع: pubs.acs.org