ثورة في تخزين الطاقة.. مجموعات نانوية معدنية لبطاريات الليثيوم والكبريت المستقرة

يتزايد الطلب على أنظمة تخزين الطاقة الفعالة باستمرار، خاصة بسبب ظهور الطاقة المتجددة المتقطعة مؤخرًا واعتماد السيارات الكهربائية.

وفي هذا الصدد، ظهرت بطاريات الليثيوم-الكبريت (LSBs)، التي يمكنها تخزين طاقة أكثر بثلاث إلى خمس مرات من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، كحل واعد.

تستخدم البطاريات LSB الليثيوم كالأنود والكبريت كالكاثود، لكن هذا المزيج يطرح تحديات.

إحدى المشكلات المهمة هي “تأثير المكوك”، حيث تهاجر أنواع بولي كبريتيد الليثيوم المتوسطة (LiPS) التي تتشكل أثناء ركوب الدراجات بين الأنود والكاثود، مما يؤدي إلى تلاشي القدرة، وانخفاض دورة الحياة، وضعف معدل الأداء.

تشمل المشاكل الأخرى تمدد كاثود الكبريت أثناء امتصاص أيون الليثيوم وتكوين أنواع عازلة من كبريت الليثيوم وتشعبات الليثيوم أثناء تشغيل البطارية. في حين تم استخدام استراتيجيات مختلفة، مثل مركبات الكاثود، والمواد المضافة بالكهرباء، والكهارل ذات الحالة الصلبة، لمواجهة هذه التحديات، فإنها تنطوي على مقايضات واعتبارات تحد من مواصلة تطوير LSBs.

العناقيد المعدنية النانوية الدقيقة

في الآونة الأخيرة، حظيت العناقيد المعدنية النانوية الدقيقة ذريًا، وهي مجاميع من ذرات معدنية يتراوح حجمها من 1 إلى 3 نانومتر، باهتمام كبير في أبحاث المواد، بما في ذلك أبحاث LSBs، نظرًا لقابليتها العالية للتصميم، فضلاً عن الهياكل الهندسية والإلكترونية الفريدة.

ومع ذلك، في حين تم اقتراح العديد من التطبيقات المناسبة للمجموعات النانوية المعدنية، لا توجد حتى الآن أمثلة لتطبيقاتها العملية.

في أحدث دراسة تعاونية نشرت في مجلة Small ، قام فريق من الباحثين من اليابان والصين، بقيادة البروفيسور يويتشي نيجيشي من جامعة طوكيو للعلوم (TUS)، بتسخير خاصية الارتباط السطحي ونشاط الأكسدة والاختزال للبلاتين (Pt) – مجموعات نانوية من الذهب (Au) مخدرة، Au 24 Pt(PET) 18 (PET فينيل ثانيثيولات، SCH 2 CH 2 Ph)، كمحفز كهربائي عالي الكفاءة في LSBs.

تعمل مجموعات الذهب النانوية الموجودة في ورقة الجرافين (G) النانوية على تسهيل امتصاص أنواع كبريتيد الليثيوم (LiPSs) والاختزال الحفزي للكبريت (S 8 ) إلى LiPSs إلى Li 2 S 2 /Li 2 S وأكسدة Li 2 S / Li 2 S 2 إلى LiPSs إلى S 8 .

المصدر: يويتشي نيجيشي من TUS اليابان

شارك في تأليف هذا العمل البروفيسور المساعد سايكات داس من TUS والبروفيسور ديان هي والأستاذ المشارك المبتدئ ديكوان ليو من جامعة لانتشو، الصين.

قام الباحثون بإعداد مركبات من Au 24 Pt(PET) 18 وأوراق نانوية من الجرافين (G) ذات مساحة سطح محددة كبيرة، ومسامية عالية، وشبكة موصلة، واستخدموها لتطوير فاصل بطارية يعمل على تسريع الحركية الكهروكيميائية في LSB.

يقول البروفيسور نيجيشي: “تم تجميع LSBs باستخدام الفاصل المعتمد على Au 24 Pt(PET) 18 @G لإيقاف LiPSs المكوكية، ومنع تكوين تشعبات الليثيوم ، وتحسين استخدام الكبريت، مما يدل على قدرة ممتازة واستقرار في التدوير”.

أظهرت البطارية قدرة نوعية عالية قابلة للعكس تبلغ 1535.4 مللي أمبير زئبق −1 للدورة الأولى عند 0.2 A g −1 وقدرة معدل استثنائية تبلغ 887 مللي أمبير زئبق −1 عند 5 A g −1 . بالإضافة إلى ذلك، كانت السعة التي تم الاحتفاظ بها بعد 1000 دورة عند 5 A g −1 هي 558.5 mA hg −1 .

تسلط هذه النتائج الضوء على مزايا استخدام المجموعات النانوية المعدنية في LSBs. وهي تشمل تحسين كثافة الطاقة ، ودورة حياة أطول، وميزات أمان محسنة ، وتقليل التأثير البيئي للـ LSBs، مما يجعلها أكثر صديقة للبيئة وأكثر قدرة على المنافسة مع تقنيات تخزين الطاقة الأخرى.

يقول البروفيسور نيجيشي “قد تجد LSBs التي تحتوي على مجموعات نانوية معدنية تطبيقات في السيارات الكهربائية، والإلكترونيات المحمولة، وتخزين الطاقة المتجددة، وغيرها من الصناعات التي تتطلب حلولًا متقدمة لتخزين الطاقة، بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن تمهد هذه الدراسة الطريق لجميع LSBs ذات الحالة الصلبة مع المزيد من الوظائف الجديدة”.

وفي المستقبل القريب، يمكن أن تؤدي التكنولوجيا المقترحة إلى أجهزة تخزين طاقة فعالة من حيث التكلفة وطويلة الأمد، وهذا من شأنه أن يساعد في تقليل انبعاثات الكربون ودعم اعتماد الطاقة المتجددة وتعزيز الاستدامة.