آیا به‌زودی شاهد باتری‌های لیتیوم-گوگرد خواهیم بود؟

آیا به‌زودی شاهد باتری‌های لیتیوم-گوگرد خواهیم بود؟

از نام «باتری لیتیوم-یونی» این‌طور برمی‌آید که لیتیوم ترکیب اصلی این نوع باتری‌ها است و تمام مشخصه‌های عملکردی باتری به آن برمی‌گردد؛ اما حقیقت چیزی غیر از این است. الکترودهایی که یون‌های لیتیوم بین آن‌ها جابه‌جا می‌شوند (کاتد و آند) نیز در تعیین عملکرد باتری نقش مهمی ایفا می‌کنند. به همین خاطر بود که در سال ۲۰۱۹ جایزه‌ی نوبل شیمی به‌طور مشترک به سه دانشمند توسعه‌دهنده‌ی باتری‌های لیتیوم-یونی اعطا شد. جنس‌های متفاوت الکترود تا حدی به خاطر تأثیرگذاری در اختلاف انرژی بین دو وضعیت شارژ و دشارژ، عملکرد باتری را تعیین می‌کنند. همچنین آن‌ها مشخص می‌کنند که چه مقدار لیتیوم می‌تواند در یک الکترود ذخیره‌سازی شود و بدین طریق چگالی انرژی باتری را تعیین می‌کنند.

مقاله‌های مرتبط:

تاکنون ایده‌های مختلفی در مورد انتخاب الکترودهای جدید برای ذخیره‌سازی لیتیوم به شیوه‌هایی کاملا متفاوت مطرح شده است؛ مثل الکترودهایی به شکل فلز جامد لیتیوم یا اکسید لیتیوم که اجازه‌ی ورود برخی از مواد الکترود را از هوای بیرون باتری می‌دهد. همچنین مواد شیمیایی دیگری وجود دارند که امکان ذخیره‌سازی مقادیر بسیار بیشتر لیتیوم را در یک حجم مشخص فراهم می‌کنند. البته تمامی این گزینه‌ها با عموماً با بیش از یک مشکل جدی مواجه هستند و همین مطلب مانع از فراگیر شدن استفاده از آن‌ها شده است؛ اما مقاله‌ای به‌تازگی منتشر شده است که وعده‌ی پیشرفت بزرگی در مورد یکی از گزینه‌هایی که همواره برای ذخیره‌سازی لیتیوم جذاب بوده است می‌دهد: گوگرد.

الکترود جایگزین

برای انتخاب یک الکترود تنها داشتن قابلیت ذخیره‌سازی حجم بالایی از یون‌های لیتیوم کافی نیست. اگر این تنها معیار برای انتخاب الکترودهای جایگزین بود تاکنون تعدادی از گزینه‌های جایگزین در عمل به کار گرفته شده بودند. علاوه‌براین معیار، مشخصات دیگری مانند ارزان بودن و سهولت به‌کارگیری، سازگاری شیمیایی با سایر اجزای باتری، ماندگاری برای تعداد زیادی سیکل شارژ متوالی نیز وجود دارند.

با اینکه گوگرد به‌خوبی از پس ذخیره‌ی مقادیر زیاد لیتیوم برمی‌آید اما در دو مورد شدیداً محدودیت دارد. نخست اینکه این عنصر چندان پایدار نیست. ترکیب لیتیوم-گوگرد یعنی پلی سولفید لیتیوم می‌تواند در الکترولیت‌هایی که در باتری‌های لیتیومی معمولی استفاده می‌شوند حل شده و بدین طریق از الکترود جدا شود. درنتیجه ماده‌ی فعال کاتد یعنی گوگرد کم می‌شود و بدین ترتیب دیگر ماده‌ای برای ذخیره کردن یون‌های لیتیوم وجود نخواهد داشت؛ بنابراین به مرور زمان ظرفیت ذخیره‌سازی الکترودها تحلیل می‌رود و باتری از کار می‌افتد. این مشکل آن‌قدر شناخته شده است که در متون علمی حتی نامی هم برای آن در نظر گرفته شده است: اثر شاتل پلی سولفید.

الکترودهای گوگردی قادر به ذخیره‌سازی انرژی بالایی هستند اما مشکلاتی نیز دارند

مشکل این دسته از باتری‌ها تنها به همین یک مورد خلاصه نمی‌شود. واضح است که یون‌های لیتیوم فضایی را اشغال می‌کنند. در برخی مواد، مناطقی که این یون‌ها ذخیره می‌شوند عمدتاً خالی هستند بنابراین تغییر وضعیت باتری بین دو حالت شارژ و دشارژ باعث انبساط با انقباض باتری نمی‌شود اما این مسئله در مورد گوگرد صدق نمی‌کند. جا دادن لیتیوم درون ساختار گوگرد باعث انبساط قابل‌توجه آن می‌شود و این مسئله می‌تواند به ساختمان باتری آسیب بزند. مسئله‌ی دیگر این است که گوگرد رسانای چندان خوبی نیست و برای انتقال دادن الکترون‌ها به ماده‌ی دیگری هم نیاز است.

اما در آن روی سکه، گوگرد بسیار ارزان بوده و کار کردن با آن نسبتا آسان است. بعلاوه گوگرد امکان دستیابی به چگالی‌های بسیار بالاتری از انرژی را فراهم می‌کند و بدین ترتیب ساخت باتری‌های ظرفیت بالا را نوید می‌دهد. همین مطلب در گذشته نیز انگیزه‌ای برای تلاش در جهت ساخت باتری‌های لیتیوم-سولفور یا همان لیتیوم-گوگرد شد.

در تحقیق اخیر که توسط گروهی متشکل از محققان استرالیایی و آلمانی صورت گرفته است به یکی از مسائلی که در بالا اشاره شد پرداخته شده است: تمایل باتری‌های گوگردی به انبساط در حین ذخیره‌سازی لیتیوم.

در نمونه‌های موجود از باتری‌های لیتیوم-گوگرد مقادیر اندکی از گوگرد در یک مش از ماده‌ای دیگر جاسازی می‌شود. با این کار هم ذرات روی یک الکترود ثابت می‌شوند و هم الکترون‌ها اجازه‌ی رفت‌وآمد و تشکیل یون‌های لیتیوم را پیدا می‌کنند. محققان بر این باورند که تراکم بالای این مش می‌تواند دو مشکل اساسی ایجاد کند. نخست اینکه این مش در حین ذخیره‌سازی لیتیوم به ذرات گوگرد اجازه‌ی انبساط نمی‌دهد و در صورت انبساط این ذرات ساختار الکترود مختل می‌شود. دوم اینکه این مش بخش زیادی از سطح ذرات گوگرد را می‌پوشاند و مانع از تعامل آن‌ها با یون‌های لیتیوم می‌شود. درواقع این مش مثل دیواری جلوی ذرات گوگرد را می‌گیرد و در عمل ظرفیت باتری را محدود و سرعت فرایند ذخیره‌سازی لیتیوم را کند می‌کند.

محققان این گروه به‌جای استفاده از یک مش متراکم تصمیم گرفتند مقدار ماده‌ی مش را کاهش دهند تا به‌جای ایجاد یک مش مستحکم تنها تعداد انگشت‌شماری اتصال بین هر ذره‌ی گوگرد و همسایگانش برقرار شود. تعداد کم این اتصالات باعث می‌شود عمده‌ی سطح ذرات با الکترولیت در تماس باشد و درنتیجه آن‌ها بتوانند آزادانه با یون‌های لیتیوم تعامل کند. همچنین با این روش این ذرات می‌توانند بدون آسیب زدن به مشی که آن‌ها را کنار هم نگه داشته، جابه‌جا و منبسط شوند. همین‌طور مقداری کربن اضافه شده است تا رسانایی کافی برای حرکت الکترون‌ها به سمت کلکتور بار الکترود ایجاد شود.

محققان مجبور بودند برای اطمینان از کافی بودن انسجام ماده‌ی الکترود و از هم نپاشیدن آن در حین قرار گرفتن درون باتری فرایند ساخت را تغییر دهند. در حالت عادی ماده‌ی الکترود در آب حل می‌شود و سپس دوغابی تهیه می‌گردد اما در اینجا محققان ابتدا مواد را با هم مخلوط کردند و برای اضافه کردن آب ۴۸ ساعت صبر کردند. این کار عملکرد مواد در تحمل تنش را به طرز چشمگیری افزایش داد. بررسی به‌وسیله‌ی میکروسکوپ الکترونی نشان داد که در مخلوط حاصل خبری از یک مش ضخیم نیست و در عوض هر یک از ذرات گوگرد توسط چندین رشته به‌طور مستقیم به دیگر ذرات متصل شده‌اند.

سنجش عملکرد

باتری لیتیوم-گوگرد حاصل شده با این روش ظرفیت به مراتب بالاتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی موجود دارد. یکی از ویژگی‌های قابل‌توجه این باتری که مورد توجه این محققان نیز قرار گرفت بازده انتقال الکترون‌ها به الکترود و  جدا شدن از آن‌ بود. پس از ۲۰۰ سیکل شارژ این بازده ۹۸ درصد مقدار اولیه خود را حفظ کرد؛ اما ظرفیت کلی باتری بعد از همین تعداد سیکل شارژ در حدود ۲۵ درصد افت کرد. این میزان افت ظرفیت با سرعت شارژ نسبتا کمی اتفاق افتاد. می‌دانیم که سرعت شارژ پایین، ظرفیت باتری را نسبت به شارژ سریع بهتر حفظ می‌کند. پس این مقدار افت ظرفیت با سرعت شارژ پایین نشانه‌ی چندان خوبی نیست.

باتری لیتیوم-گوگرد ظرفیت به مراتب بالاتری نسبت به باتری‌های لیتیوم-یونی موجود دارد

دلیل این افت ظرفیت می‌تواند مطلبی که پیش‌تر اشاره کردیم باشد؛ از دست رفتن گوگرد موجود در الکترود به خاطر حل شدن آن در محلول الکترولیت. البته نمی‌توان با اطمینان این مسئله را دلیل قطعی افت ظرفیت اعلام کرد زیرا محققانی که به انجام این تحقیق پرداخته‌اند به این مسئله توجه چندانی نشان نداده‌اند. آن‌ها در معرفی تحقیقات خود تنها به حصول پیشرفتی قابل‌توجه در مورد پدیده‌ی مورد توجه شاتل پلی سولفید در باتری‌های Li-S اشاره کرده‌اند؛ اما برای توضیح بیشتر در مورد این مطلب هیچ‌گونه ارجاعی به مقالات ارائه نداده‌اند و به استفاده از ترکیبات شیمیایی جدیدی که به این پیشرفت منتهی شود اشاره‌ای نکرده‌اند.

از یک دید خوش‌بینانه، افت ظرفیت به خاطر پدیده‌ی شاتل پلی سولفید رخ داده است و محققان کاری برای جلوگیری از آن انجام نداده‌اند اما ترکیب شیمیایی الکترود انتخابی آن‌ها با تکنیک‌های به حداقل رساندن این مشکل سازگاری داشته است. البته از مقاله منتشر شده توسط این محققان مشخص نیست که این دیدگاه خوش‌بینانه چقدر درست است.

پس علت اینکه این مقاله‌ این‌قدر مورد توجه واقع شده چیست؟ احتمالاً به این خاطر که دانشگاه استرالیایی مانش از ثبت اختراع این تکنولوژی خبر داده است. همچنین تعدادی نمونه اولیه از این سلول‌ها توسط اعضای آلمانی تیم تحقیقاتی ساخته شده‌ است و چندین شرکت چینی نسبت به خرید این تکنولوژی ابراز تمایل کرده‌اند. از همه‌ی این‌ها این‌طور برمی‌آید که باتری‌هایی با ظرفیت ذخیره‌سازی بالای انرژی در شرف ظهور هستند. حتی در بیانیه این دانشگاه این‌طور گفته شده است که این باتری می‌تواند انرژی مورد نیاز گوشی‌های هوشمند را تا پنج روز تأمین کند و با یک بار شارژ امکان رانندگی با یک خودروی الکتریکی تا مسافتی بیش از هزار کیلومتر را فراهم آورد.

این تحقیق به ایده خوبی که در عمل تا حدی قابلیت اجرا دارد پرداخته است اما با این وجود درحال‌حاضر چندان سودمند نیست مگر اینکه به خودروهایی الکتریکی که با سرعت پایینی شارژ می‌شوند و باتری آن‌ها هر دو سال یک‌بار نیاز به تعویض پیدا می‌کند علاقه داشته باشید. ممکن است راهکارهای دیگری برای افزایش کارایی این نوع باتری‌ها وجود داشته باشد اما اطلاعاتی که تاکنون در مورد این دسته باتری‌ها منتشر شده‌ است در مورد بهبود عملکرد آن‌ها و دستیابی به وضعیتی مناسب برای استفاده روزمره نکته‌ای بیان نکرده‌اند.

برچسب ها :
زومیتفناوری

درباره محمد حسینی راد

چند سالی هست که در دنیای دیجیتال مشغول فعالیتم. کارشناسی ارشد نرم افزار خوندم و از اینکه دارم مطالب مرتبط با زمینه کاری خودم را انتشار می دهم بسیار خرسندم.

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *