ابتکار آمریکایی ها برای افزایش عمر، انرژی و کارایی باتری های لیتیوم-گوگرد
بیست و یکم: پژوهشگران ایالات متحده الکترولیت قدرتمندی را برای افزایش عمر باتری های لیتیوم-گوگرد، ضمن بهبود انرژی و کارآیی آنها طراحی نموده اند.
به گزارش بیست و یکم به نقل از ایسنا، محققان باتری های لیتیوم-گوگرد(Li-S) را با افزودنی های الکترولیت نوآورانه برای حل چالش های کلیدی در رابطه با آنها ساخته اند.
باتری های Li-S با چالش هایی مانند خیس شدن ضعیف الکترولیت و انتقال آهسته یون در کاتدهای ضخیم گوگرد، خصوصاً در وضعیت عملی مواجهند.
یک مطالعه جدید نشان داده است که یک افزودنی اسید لوئیس(LAA) که قبلا تصور می شد نامناسب است، می تواند یک لایه بین فازی یکنواخت را داخل کاتد تشکیل و انتقال یون را افزایش دهد.
پژوهشگران با استفاده از مهارتها و شبیه سازی های پیشرفته، این رویکرد را تأیید می کنند و بینش های جدیدی را در مورد فعل و انفعالات الکترولیت-کاتد ارائه می کنند و راه را برای بهبود عملکرد باتری Li-S هموار می کنند.
تیم لابراتوار ملی آرگون(ANL) در وزارت انرژی ایالات متحده(DOE) ادعا می کند که طراحی این الکترولیت جدید می تواند چگالی انرژی را بهبود بخشد، هزینه را کم کند و عمر چرخه را نیز افزایش دهد.
باتری های Li-S پیشرفته
همچنین که جهان به سوی استفاده بیش از نیروی برق می رود، دانشمندان از سراسر دنیا درحال رقابت برای ایجاد باتری های فراتر از لیتیوم هستند، علیرغم این واقعیت که باتری های لیتیوم-یون تا حالا موفقیت بزرگی کسب کرده اند.
باتری های لیتیوم-یونی تجاری از مواد نسبتاً پرهزینه ای مانند ترکیبات کبالت و نیکل استفاده می نمایند که به شدت به زنجیره های تامین ناپایدار وابسته هستند و چگالی انرژی کمتری نسبت به باتری های جایگزین دارند.
از آن سو باتری های لیتیوم-گوگرد(Li-S) که دارای یک کاتد گوگرد و یک آند فلزی لیتیوم هستند، یکی از قابل استفاده ترین جایگزین ها برای باتری های لیتیوم-یون هستند. این ترکیب الکترود از منابعی استفاده می نماید که به آسانی در زمین در دسترس هستند و دو تا سه برابر چگالی انرژی و هزینه کمتر را نوید می دهند.
باتری های لیتیوم-گوگرد با چالش هایی مانند عمر چرخه کوتاه ناشی از کوچ پلی سولفید و واکنش های شیمیایی ناهموار مواجهند. برخلاف باتری های لیتیوم-یونی که یون های لیتیوم را بین لایه های کاتد ذخیره می کنند، باتری های لیتیوم-گوگرد به واکنش های شیمیایی متکی هستند که در آن گوگرد به پلی سولفیدهای محلول تبدیل می شود.
بگفته پژوهشگران، این اتفاق سبب ایجاد یک اثر رفت و آمدی(shuttling) رسوب مواد در آند و کاهش عملکرد می شود. راهبردهای حل این مشکل شامل افزودنی های الکترولیت است که قبلاً به علت واکنش شیمیایی آنها با کاتد گوگرد و سایر اجزای باتری ناسازگار درنظر گرفته می شد.
محلول های لیتیوم پایدار
محققان برای مقابله با این چالش ها کلاس جدیدی از افزودنی ها را توسعه داد که عملکرد باتری را بهبود می بخشد. آنها با مدیریت دقیق برهمکنش مواد افزودنی با ترکیبات گوگردی، با موفقیت یک رابط بهبود یافته بین کاتد و الکترولیت ایجاد کردند که انتقال نرم تر لیتیوم-یون را ممکن می سازد.
گویلیانگ ژو(Guiliang Xu) شیمیدان ANL و سرپرست این مطالعه در اطلاعیه ای اظهار داشت: این افزودنی که افزودنی اسید لوئیس(Lewis acid additive) نامیده می شود، نمکی است که با ترکیبات پلی سولفید واکنش داده و یک لایه روی کل الکترود تشکیل می دهد.
وی ادامه داد: نکته کلیدی این است که یک واکنش جزئی برای تشکیل داشته باشیم که بدون واکنش مداوم باشد که مواد را مصرف می کند و چگالی انرژی را می کاهد.
این افزودنی یک لایه محافظ روی آند و کاتد تشکیل می دهد و اثر رفت و آمدی را سرکوب می کند، سلول را تثبیت می کند و انتقال کارآمد یون را ارتقا می دهد. این طراحی الکترولیت، انحلال گوگرد را به حداقل می رساند و یکنواختی واکنش را بهبود می بخشد و امکان استفاده از افزودنی های ناسازگار قبلی را نیز فراهم می آورد.
پژوهشگران این الکترولیت جدید را با یک الکترولیت معمولی مقایسه و مشاهده نمودند که تشکیل و انحلال پلی سولفید به میزان قابل توجهی کاسته شده است که بوسیله مهارتهای پیشرفته اشعه ایکس تأیید شده است. همین طور یافته ها نشان داد که طراحی این الکترولیت با ردیابی واکنش ها در طول شارژ و تخلیه، بطور موثری مشکلات رفت و آمد پلی سولفید را می کاهد.
این تیم ادعا می کند که رابط بهبود یافته همین طور انتقال یون را زیاد می کند، ناهماهنگی های واکنش را می کاهد و چالش های کلیدی در عملکرد باتری لیتیوم-گوگرد را مرتفع می کند.
ژو اضافه کرد: ما معتقدیم باتری های لیتیوم-گوگرد با بهینه سازی بیشتر و توسعه الکترودهای گوگرد می توانند به چگالی انرژی بالاتر و عملکرد کلی بهتر دست یابند و به پذیرش تجاری آنها کمک گردد.
پایداری و ایمنی فلز لیتیوم به علت واکنش پذیری و اشتعال پذیری الکترولیت هنوز چالش های اصلی برای باتری های لیتیوم-گوگرد است و پژوهشگران درحال تولید الکترولیت های ایمن تر و پایدارتر هستند.
مهارتهای پیشرفته پرتو ایکس در منبع فوتون پیشرفته ANL، همچون طیف سنجی جذب، تصویربرداری پراش و نقشه برداری فلورسانس، حلالیت پلی سولفید، یکنواختی واکنش سلولی و کوچ گوگرد را نشان داده است و بینش هایی را برای رسیدگی به این مسائل و بهبود عملکرد باتری ارائه می دهد.
جزییات این پژوهش در مجله Joule انتشار یافته است.
منبع: 21th.ir
این مطلب بیست و یکم را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب