طور باحثون في جامعة كاليفورنيا سان دييغو مادة كاثودية جديدة لبطاريات الليثيوم والكبريت ذات الحالة الصلبة والتي تعمل على تحسين التوصيل الكهربائي وخصائص الشفاء الذاتي بشكل كبير. تتناول هذه المادة التحديات الرئيسية المرتبطة بكاثودات الكبريت، مثل ضعف توصيل الإلكترون والأضرار الهيكلية أثناء الاستخدام. ويبشر هذا الابتكار بمضاعفة كثافة طاقة البطاريات في السيارات الكهربائية دون زيادة الوزن وإطالة عمر البطارية، مما يجعل بطاريات الليثيوم والكبريت ذات الحالة الصلبة خيارًا أكثر قابلية للتطبيق وصديقة للبيئة. الائتمان: ديفيد بايلوت / كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس
اقترب الباحثون خطوة واحدة من جعل بطاريات الحالة الصلبة من الليثيوم والكبريت حقيقة عملية. قام فريق بقيادة مهندسين في جامعة كاليفورنيا سان دييغو بتطوير مادة كاثود جديدة لبطاريات الليثيوم والكبريت ذات الحالة الصلبة والتي تكون موصلة للكهرباء وقابلة للشفاء هيكليًا - وهي ميزات تتغلب على قيود الكاثودات الحالية لهذه البطاريات.
تم نشر العمل مؤخرًا في مجلة Nature .
بطاريات الليثيوم والكبريت ذات الحالة الصلبة هي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن والتي تتكون من إلكتروليت صلب، وأنود مصنوع من معدن الليثيوم، وكاثود مصنوع من الكبريت. تبشر هذه البطاريات بالوعد كبديل متفوق لبطاريات الليثيوم أيون الحالية لأنها توفر كثافة طاقة متزايدة وتكاليف أقل. ولديها القدرة على تخزين ما يصل إلى ضعف الطاقة لكل كيلوغرام مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية، وبعبارة أخرى، يمكنها مضاعفة نطاق السيارات الكهربائية دون زيادة وزن حزمة البطارية. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مواد وفيرة يسهل الحصول عليها يجعلها خيارًا مجديًا اقتصاديًا وأكثر صداقة للبيئة.
التحديات والإنجازات
ومع ذلك، فإن تطوير بطاريات الحالة الصلبة من الليثيوم والكبريت قد عانى تاريخياً من الخصائص المتأصلة لكاثودات الكبريت. لا يعتبر الكبريت موصلًا سيئًا للإلكترونات فحسب، بل تتعرض كاثودات الكبريت أيضًا لتوسع وانكماش كبير أثناء الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى تلف هيكلي وانخفاض الاتصال بالكهرباء الصلبة. تقلل هذه المشكلات بشكل جماعي من قدرة الكاثود على نقل الشحنة، مما يؤثر على الأداء العام وطول عمر بطارية الحالة الصلبة.للتغلب على هذه التحديات، قام فريق بقيادة باحثين في مركز الطاقة والطاقة المستدامة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو بتطوير مادة كاثود جديدة: بلورة مكونة من الكبريت واليود. ومن خلال إدخال جزيئات اليود في بنية الكبريت البلوري، زاد الباحثون بشكل كبير من التوصيل الكهربائي لمادة الكاثود بمقدار 11 مرة، مما يجعلها أكثر موصلية بمقدار 100 مليار مرة من البلورات المصنوعة من الكبريت وحده.
تشفى مادة الكاثود عن طريق الذوبان من مسحوق بني إلى سائل أحمر أرجواني عميق.
وقال الباحث الرئيسي المشارك في الدراسة بينج ليو، أستاذ هندسة النانو ومدير مركز الطاقة والطاقة المستدامة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو: "نحن متحمسون للغاية لاكتشاف هذه المادة الجديدة". "إن الزيادة الهائلة في التوصيل الكهربائي في الكبريت هي مفاجأة ومثيرة للاهتمام من الناحية العلمية."
علاوة على ذلك، تمتلك المادة البلورية الجديدة نقطة انصهار منخفضة تبلغ 65 درجة Celsius
فهرنهايت )، وهي أقل من درجة حرارة كوب ساخن من القهوة. وهذا يعني أنه يمكن إعادة صهر الكاثود بسهولة بعد شحن البطارية لإصلاح الواجهات التالفة من ركوب الدراجات. هذه ميزة مهمة لمعالجة الضرر التراكمي الذي يحدث في الواجهة الصلبة الصلبة بين الكاثود والكهارل أثناء الشحن والتفريغ المتكرر.
وقال شيو بينج أونج، كبير الباحثين المشاركين في الدراسة، وأستاذ هندسة النانو في كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس: "يقدم كاثود يوديد الكبريت هذا مفهومًا فريدًا لإدارة بعض العوائق الرئيسية أمام تسويق بطاريات Li-S تجاريًا". "يعطل اليود الروابط بين الجزيئات التي تربط جزيئات الكبريت معًا بالكمية المناسبة لخفض نقطة انصهارها إلى منطقة المعتدل - أعلى من درجة حرارة الغرفة ولكنها منخفضة بما يكفي لإعادة شفاء الكاثود بشكل دوري عن طريق الذوبان."
قال المؤلف المشارك الأول في الدراسة جيانبين تشو، وهو باحث سابق في ما بعد الدكتوراه في هندسة النانو من مجموعة ليو البحثية: "إن نقطة الانصهار المنخفضة لمادة الكاثود الجديدة تجعل إصلاح الواجهات أمرًا ممكنًا، وهو حل طال انتظاره لهذه البطاريات". "هذه المادة الجديدة هي حل تمكيني لبطاريات الحالة الصلبة ذات الكثافة العالية للطاقة في المستقبل."
مستقبل بطاريات الحالة الصلبة
للتحقق من فعالية مادة الكاثود الجديدة، قام الباحثون ببناء بطارية اختبار وأخضعوها لدورات شحن وتفريغ متكررة. ظلت البطارية مستقرة لأكثر من 400 دورة مع احتفاظها بنسبة 87 بالمائة من سعتها.وقال كريستوفر بروكس، المؤلف المشارك في الدراسة، وكبير العلماء في معهد هوندا للأبحاث بالولايات المتحدة الأمريكية: "هذا الاكتشاف لديه القدرة على حل أحد أكبر التحديات التي تواجه إدخال بطاريات الليثيوم والكبريت ذات الحالة الصلبة من خلال زيادة العمر الإنتاجي للبطارية بشكل كبير". "إن قدرة البطارية على الشفاء الذاتي ببساطة عن طريق رفع درجة الحرارة يمكن أن تؤدي إلى إطالة دورة حياة البطارية الإجمالية بشكل كبير، مما يخلق مسارًا محتملاً نحو التطبيق الحقيقي لبطاريات الحالة الصلبة."
ويعمل الفريق على مواصلة تطوير تكنولوجيا بطاريات الليثيوم والكبريت ذات الحالة الصلبة من خلال تحسين تصميمات هندسة الخلايا وتوسيع نطاق تنسيق الخلية.
وقال ليو: "على الرغم من أنه لا يزال هناك الكثير مما يتعين القيام به لتوفير بطارية الحالة الصلبة القابلة للحياة، فإن عملنا يعد خطوة مهمة". "لقد أصبح هذا العمل ممكنًا بفضل التعاون الكبير بين فرقنا في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو وشركائنا البحثيين في المختبرات الوطنية والأوساط الأكاديمية والصناعة."
