ساخت باتری لیتیوم سولفور پایدار با توانایی تامین انرژی گوشی‌ها تا ۵ روز

باتری‌هایی که به‌جای ترکیب شیمیایی معمول لیتیوم یون با لیتیوم سولفور (گوگرد) ساخته می‌شوند، از مدت‌ها پیش از ظرفیت بسیار بالایی برخوردار بوده‌اند. هرچند این نوع باتری‌ها در مقایسه با باتری‌های موجود در دستگاه‌های الکترونیکی کنونی تا ۵ برابر انرژی بیشتری ارائه می‌دهند، مانع اصلی بر سر راه تجاری‌سازی آن‌ها طول عمر بسیار کوتاه‌ترشان است. اکنون، تیمی بین‌المللی از دانشمندان ادعا می‌کند که از طریق نوع جدیدی از ساختار پیوندی توانسته است بر این مشکل فائق آید. دستاورد این پژوهشگران به راندمان بی‌سابقه‌ای از شارژ / دشارژ منجر شده است که می‌تواند برای روزها انرژی لازم برای فعالیت یک گوشی هوشمند را تامین کند.

دکتر مهدخت شیبانی از دانشگاه مانش ملبورن و نویسنده‌ی اصلی مطالعه به خبرگزاری نیواطلس گفت:

برخلاف انتظار، چالش اصلی بر سر راه پذیرش گسترده‌ی باتری‌های لیتیوم سولفور تا به امروز، این بوده که ظرفیت ذخیره‌سازی الکترود سولفور آنچنان زیاد است که نمی‌تواند استرس حاصله را تحمل کند. درعوض الکترود به همان شکلی ازهم‌ می‌پاشد که احتمالا ما هنگام قرارگیری تحت استرس فرو می‌پاشیم.

مقاله‌های مرتبط:

• چالش‌های باتری‌ لیتیوم سولفور؛ جایگزین محتمل باتری‌ یون لیتیوم
• باتری‌های لیتیوم-سولفور و عملکردی ۴ برابر بهتر در ظرفیت و طول عمر

شیبانی توضیح می‌دهد که این فروپاشی ناشی از استرسی است که به ازهم‌گسیختگی اجزاء اصلی منجر می‌شود؛ ازجمله ماتریس کربن که مسئول رساندن الکترون‌ها به سولفور عایق است و اتصال‌دهنده‌ی پلیمر که این دو ماده را به‌هم متصل نگاه می‌دارد. ازهم‌پاشیدگی این پیوند زوال سریع در عملکرد باتری را به‌دنبال دارد.

درنتیجه، شیبانی و تیم بین‌المللی پژوهشگران یافتن شیوه‌هایی تازه را برای حفظ این پیوند آغاز کردند. شیبانی تصمیم گرفت به‌جای استفاده از مواد اتصال‌دهنده برای تشکیل شبکه‌ای متراکم با فضای اندک اضافی، به «ذرات سولفور قدری فضا برای تنفس» بدهد!

باتری جدید به عامل اتصال‌دهنده‌ی سنتی متکی است؛ اما اتصال به شیوه‌ای متفاوت انجام شده است تا پیوندهای متصل‌کننده‌ی فوق قوی بین ماتریکس کربن و ذرات سولفور تشکیل شود. این پیوند مستحکم هم‌زمان با انبساط باتری حین شارژ، وجود فضای اضافی را امکان‌پذیر می‌کند. این پیوندها را می‌توان در شکل b در پایین مشاهده کرد.

^{دانشمندان از نوع جدیدی از پیوند استفاده کرده‌اند تا اجزای اصلی باتری‌های لیتیوم سولفور را حین شارژ به‌همدیگر متصل نگاه دارند}

شیبانی می‌گوید:

به عبارت دیگر، من شبکه‌ای مانند تار عنکبوت ساختم که در آن فقط حداقل مقدار از پیونددهنده بین ذرات مجاور قرار دارد و فضای افزایش‌یافته را برای تطبیق تغییرات در ساختار و استرس حاصله باقی می‌گذارد.

در آزمایش‌های تیم پژوهشی با باتری لیتیوم سولفور جدید، برخی نشانه‌های امیدوارکننده پدیدار شده است. باتری در آزمایش در طول بیش از ۲۰۰ چرخه، راندمان شارژ / دشارژ بیش از ۹۹ درصد را به نمایش گذاشت که به‌گفته‌ی شیبانی «تا آنجا که می‌دانیم، برای چنین الکترودهای پرظرفیتی بی‌سابقه است.»

^{باتری جدید می‌تواند شارژ طولانی‌مدت را برای گوشی‌ها و دیگر ابزارهای الکترونیکی به ارمغان بیاورد}

به‌گفته‌ی پژوهشگران، باتری جدید آن‌ها می‌تواند به‌مدت ۵ روز پیوسته به یک گوشی هوشمند نیرو برساند یا به یک وسیله‌ی نقلیه‌ی برقی امکان دهد تا بیش از هزار کیلومتر را بدون شارژ مجدد حرکت کند. دانشمندان می‌خواهند در طول سال‌های پیش‌رو، باتری جدید را هم در خودروهای برقی و هم به‌عنوان گزینه‌ی ذخیره‌سازی برای انرژی خورشیدی آزمایش کنند. آن‌ها همچنین فناوری باتری جدیدشان را ثبت اختراع کرده‌اند. این باتری لیتیوم سولفور علاوه بر عملکرد بهبودیافته، هزینه‌ی ساخت پایین‌تر و تأثیر زیست‌محیطی کمتر را نیز در مقایسه با باتری‌های لیتیوم یون سنتی نوید می‌دهد.

متیو هیل، نویسنده‌ی همکار پژوهش می‌گوید:

این رویکرد نه‌تنها از کارایی بالا و چرخه‌ی عمر طولانی حمایت می‌کند، بلکه تولید آن با استفاده از فرایندهای آب‌پایه نیز ساده و به‌شدت کم‌هزینه است و می‌تواند به کاهش چشمگیر تولید ضایعات خطرناک برای محیط‌زیست منجر شود.

تیم پژوهشی نتایج یافته‌های خود را در نشریه‌ی Science Advances منتشر کرده است.