التوصل لآلية تفاعل لم تكن معروفة سابقا.. تعالج عيب العمر القصير جدًا للبطاريات

الطريق من التقدم في المختبر إلى التكنولوجيا العملية يمكن أن يكون طويلًا ووعرا، مثال على ذلك بطارية الليثيوم والكبريت، وتتمتع بمزايا ملحوظة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون الحالية التي تزود المركبات بالطاقة.

لكنها لم تؤثر على السوق بعد على الرغم من التطور المكثف على مدى سنوات عديدة.

يمكن أن يتغير هذا الوضع في المستقبل، وذلك بفضل جهود العلماء في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، وعلى مدى العقد الماضي، حققوا العديد من الاكتشافات المحورية المتعلقة ببطاريات الليثيوم والكبريت.

يكشف اكتشافهم الأخير، الذي نُشر في مجلة Nature ، عن آلية تفاعل لم تكن معروفة سابقًا تعالج عيبًا كبيرًا، وهو العمر القصير جدًا للبطاريات.

صرح Gui-Liang Xu، الكيميائي في قسم العلوم والهندسة الكيميائية في أرجون، أن “جهود فريقنا يمكن أن تقرب الولايات المتحدة خطوة كبيرة من مشهد نقل أكثر خضرة واستدامة”.

تخزين طاقة أكبر بمرتين إلى ثلاث مرات

توفر بطاريات الليثيوم-الكبريت ثلاث مزايا مهمة مقارنة ببطاريات الليثيوم-أيون الحالية، أولاً، يمكنها تخزين طاقة أكبر بمرتين إلى ثلاث مرات في حجم معين، مما يؤدي إلى مدى أطول للمركبة.

ثانياً، إن انخفاض تكلفتها، الذي تسهله وفرة الكبريت والقدرة على تحمل تكاليفه، يجعلها قابلة للحياة اقتصادياً.

وأخيرًا، لا تعتمد هذه البطاريات على الموارد الحيوية مثل الكوبالت والنيكل، والتي قد تواجه نقصًا في المستقبل.

وعلى الرغم من هذه الفوائد، فقد ثبت أن الانتقال من النجاح المختبري إلى الجدوى التجارية أمر بعيد المنال.

أظهرت الخلايا المختبرية نتائج واعدة، ولكن عند توسيع نطاقها إلى الحجم التجاري، يتراجع أدائها بسرعة مع تكرار الشحن والتفريغ.

ويكمن السبب الكامن وراء هذا الانخفاض في الأداء في انحلال الكبريت من الكاثود أثناء التفريغ، مما يؤدي إلى تكوين بولي كبريتيدات الليثيوم القابلة للذوبان (Li 2 S 6 ) تتدفق هذه المركبات إلى القطب السالب من معدن الليثيوم (الأنود) أثناء الشحن، مما يؤدي إلى تفاقم المشكلة.

وبالتالي، فإن فقدان الكبريت من الكاثود والتغييرات في تكوين الأنود يعيق بشكل كبير أداء البطارية أثناء ركوب الدراجات.

نتائج واعدة

في دراسة سابقة حديثة، طور علماء أرجون مادة محفزة تخلصت بشكل أساسي من مشكلة فقدان الكبريت عند إضافتها بكمية صغيرة إلى كاثود الكبريت.

وفي حين أظهر هذا المحفز نتائج واعدة في كل من الخلايا ذات الحجم التجاري والمختبري، إلا أن آلية عمله على المستوى الذري ظلت لغزًا حتى الآن.

وقد سلطت أحدث الأبحاث التي أجراها الفريق الضوء على هذه الآلية، في غياب المحفز، يتشكل بولي كبريتيد الليثيوم على سطح الكاثود، ويخضع لسلسلة من التفاعلات، مما يؤدي في النهاية إلى تحويل الكاثود إلى كبريتيد الليثيوم (Li 2 S).

وقال شو “لكن وجود كمية صغيرة من المحفز في الكاثود يحدث فرقا كبيرا”، “يتبع ذلك مسار رد فعل مختلف تمامًا، وهو مسار خالٍ من خطوات التفاعل الوسيطة.”

المفتاح هو تكوين فقاعات نانوية كثيفة من بولي كبريتيد الليثيوم على سطح الكاثود، والتي لا تظهر بدون المحفز.

تنتشر بولي كبريتيدات الليثيوم بسرعة في جميع أنحاء هيكل الكاثود أثناء التفريغ وتتحول إلى كبريتيد الليثيوم الذي يتكون من بلورات نانوية الحجم، تمنع هذه العملية فقدان الكبريت وانخفاض الأداء في الخلايا ذات الحجم التجاري.

ولفتح هذا الصندوق الأسود حول آلية التفاعل، استخدم العلماء تقنيات التوصيف المتطورة.

ربط التغييرات بسلوك الخلية العاملة

كشفت تحليلات بنية المحفز باستخدام حزم الأشعة السينية السنكروترونية المكثفة عند خط الشعاع 20-BM لمصدر الفوتون المتقدم، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة، أنه يلعب دورًا حاسمًا في مسار التفاعل.

يؤثر هيكل المحفز على شكل وتكوين المنتج النهائي عند التفريغ، وكذلك المنتجات الوسيطة.

مع المحفز، يتشكل كبريتيد الليثيوم البلوري النانوي عند التفريغ الكامل، وبدون المحفز، تتشكل هياكل على شكل قضبان مجهرية بدلاً من ذلك.

تقنية حيوية أخرى، تم تطويرها في جامعة شيامن، سمحت للفريق بتصور الواجهة البينية بين القطب والكهارل على مقياس النانو أثناء عمل خلية الاختبار.

ساعدت هذه التقنية المبتكرة حديثًا على ربط التغييرات على المستوى النانوي بسلوك الخلية العاملة.

وأشار شو إلى أنه “بناء على اكتشافنا المثير، سنجري المزيد من الأبحاث لتصميم كاثودات كبريتية أفضل”، “سيكون من المفيد أيضًا استكشاف ما إذا كانت هذه الآلية تنطبق على بطاريات الجيل التالي الأخرى، مثل بطاريات كبريت الصوديوم.”

ومع هذا الإنجاز الأخير الذي حققه الفريق، يبدو مستقبل بطاريات الليثيوم والكبريت أكثر إشراقًا، مما يوفر حلاً أكثر استدامة وصديقًا للبيئة لصناعة النقل.

تابعنا على تطبيق نبض