البطاريات موجودة في كل مكان في الحياة اليومية، من الهواتف المحمولة، والساعات الذكية إلى العدد المتزايد من السيارات الكهربائية.
تستخدم معظم هذه الأجهزة تقنية بطاريات الليثيوم أيون المعروفة، وعلى الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون، قد قطعت شوطًا طويلاً منذ طرحها لأول مرة، إلا أن لها بعض العيوب المألوفة أيضًا، مثل الأعمار القصيرة، وارتفاع درجة الحرارة، وتحديات سلسلة التوريد لبعض المواد الخام.
يبحث العلماء في مختبر أرجون التابع لوزارة الطاقة الأمريكية عن حلول لهذه المشكلات عن طريق اختبار مواد جديدة في صناعة البطاريات، أحد هذه المواد هو الكبريت، الكبريت وفير للغاية وفعال من حيث التكلفة، ويمكن أن يحتوي على طاقة أكثر من البطاريات التقليدية القائمة على الأيونات.
في دراسة جديدة، طور الباحثون أبحاث البطاريات القائمة على الكبريت من خلال إنشاء طبقة داخل البطارية تضيف سعة تخزين الطاقة مع التخلص تقريبًا من مشكلة تقليدية مع بطاريات الكبريت التي تسببت في التآكل.
تصميم بطارية واعد يجمع بين قطب موجب يحتوي على الكبريت (كاثود) مع قطب كهربائي سالب من معدن الليثيوم (الأنود)، بين هذه المكونات يوجد المنحل بالكهرباء، أو المادة التي تسمح للأيونات بالمرور بين طرفي البطارية.
لم تعمل بطاريات الليثيوم-الكبريت المبكرة (Li-S) بشكل جيد لأن أنواع الكبريت (polysulfides) تذوب في الإلكتروليت، مما تسبب في تآكلها، يؤثر تأثير النقل المكوكي متعدد الكبريتيد هذا سلبًا على عمر البطارية ويقلل من عدد المرات التي يمكن فيها إعادة شحن البطارية.
لمنع هذا الكبريتيد متعدد الكبريتات، حاول الباحثون السابقون وضع طبقة بينية غير نشطة الأكسدة والاختزال بين الكاثود والأنود، مصطلح “الأكسدة والاختزال” يعني أن المادة لا تخضع لتفاعلات مثل تلك الموجودة في القطب، لكن هذه الطبقة الواقية ثقيلة وكثيفة، مما يقلل من سعة تخزين الطاقة لكل وحدة وزن للبطارية، كما أنه لا يقلل بشكل كافٍ من النقل المكوكي، لقد أثبت هذا أنه عائق رئيسي أمام تسويق بطاريات Li-S.
لمعالجة هذا الأمر، طور الباحثون واختبروا طبقة داخلية تحتوي على الكبريت يسهل اختراقها، أظهرت الاختبارات في المختبر سعة أولية أعلى بثلاث مرات في خلايا Li-S مع هذه الطبقة النشطة، على عكس غير النشطة، الطبقة البينية، الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أن الخلايا ذات الطبقة البينية النشطة حافظت على سعة عالية تزيد عن 700 دورة شحن وتفريغ.
سعة تخزين الطاقة
قال Guiliang Xu ، الكيميائي في Argonne والمؤلف المشارك لـ الورقة، التي ظهرت في Nature Communications، “على النقيض من ذلك، تضيف طبقتنا النشطة الأكسدة والاختزال إلى سعة تخزين الطاقة وتحد من تأثير المكوك.”
لمزيد من دراسة الطبقة النشطة في الأكسدة والاختزال، أجرى الفريق تجارب في خط الأشعة 17-BM لمصدر الفوتون المتقدم في مختبر أرجون، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة، البيانات التي تم جمعها من تعريض الخلايا بهذه الطبقة لأشعة إكس سمحت للفريق بالتأكد من فوائد الطبقة البينية.
أكدت البيانات أن الطبقة البينية النشطة في الأكسدة والاختزال يمكن أن تقلل الحركة المكوكية، وتقليل التفاعلات الضارة داخل البطارية، وتزيد من قدرة البطارية على تحمل المزيد من الشحن وتستمر لمزيد من الدورات.
قالWenqian Xu ، عالم خط الأشعة، أُظهرت النتائج أن الطبقة البينية النشطة في الأكسدة والاختزال يمكن أن يكون لها تأثير كبير على تطوير بطارية Li-S، نحن على بعد خطوة واحدة من رؤية هذه التكنولوجيا في حياتنا اليومية .”
للمضي قدمًا، يريد الفريق تقييم إمكانات النمو لتقنية الطبقة البينية النشطة بالاختزال، قال Guiliang Xu “نريد أن نجعله أرق وأخف بكثير”.
ساهم في الورقة كل من خليل أمين، وتيان يي لي، وشيانج ليو، وجويليانج شو ، ووينتشيان شو، وتشين تشاو، وشياو بينج زو.
