باتری جدید لیتیم-سولفور در ۱۲ دقیقه کامل شارژ می‌شود و بیش از ۱۰۰۰ چرخه عمر دارد

محققان کره جنوبی ماده‌ای خلاقانه از کربن متخلخل با دوپ نیتروژن توسعه داده‌اند که به طور قابل‌توجهی سرعت شارژ باتری‌های لیتیم-سولفور را افزایش می‌دهد.

این پیشرفت توسط تیمی از موسسه علمی و فناوری دائگو گیونگبوک (DGIST) به‌دست‌آمده است و مشکل کندی شارژ، که یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها برای تجاری‌سازی فناوری باتری‌های لیتیم-سولفور موجود بوده است، را برطرف کرده است.

روش آن‌ها تشکیل لیتیم سولفید (Li2S) را بهبود داده، عملکرد باتری را افزایش داده و به کاهش پوشش‌دهی الکترودها کمک می‌کند. در نتیجه، باتری Li-S سریعاً در ۵C (در ۱۲ دقیقه) شارژ و دشارژ می‌شود و پس از ۱۰۰۰ چرخه ظرفیت ۸۲ درصدی خود را حفظ می‌کند.

طبق گفته تیم، حتی با محتوای بالای سولفور و نسبت الکترولیت به سولفور کم، باتری همچنان بیش از ۷ میلی‌آمپر ساعت بر سانتیمتر مربع برای ۸۰ چرخه فراهم می‌کند.

ماده جدید کربن

باتری‌های لیتیم-یون برای فناوری‌های سازگار با محیط زیست مانند خودروهای الکتریکی ضروری هستند اما با محدودیت‌هایی در ظرفیت انرژی و هزینه‌های بالا مواجه‌اند. در مقابل، باتری‌های لیتیم-سولفور به دلیل چگالی بالای انرژی و ماده سولفور کم‌هزینه، به عنوان گزینه‌های نسل بعد مورد توجه قرار گرفته‌اند.

با این حال، تجاری‌سازی با چالش‌هایی مانند استفاده ضعیف از سولفور در طی شارژ سریع که باعث کاهش ظرفیت می‌شود، مختل شده است.

همچنین، پلی‌سولفیدهای لیتیمی که در فرآیند دشارژ تولید می‌شوند، درون باتری جابجا می‌شوند و عملکرد آن را کاهش می‌دهند. محققان تلاش کرده‌اند با وارد کردن سولفور به ساختارهای کربنی متخلخل این مشکل را حل کنند اما هنوز عملکرد لازم برای تجاری‌سازی را به‌دست نیاورده‌اند.

برای غلبه بر این چالش‌ها، تیم ماده‌ای نوین و بیش‌گرافیتی از کربن چند متخلخل را دوپ نیتروژن کرده و به کاتد باتری‌های لیتیم-سولفور اعمال کرده است.

طبق گفته محققان، این فناوری با موفقیت ظرفیت انرژی بالا را حتی در شرایط شارژ سریع حفظ می‌کند و مشکلات مرتبط با استفاده از سولفور و عملکرد باتری را حل می‌کند، گامی نزدیک‌تر به امکان‌پذیر کردن استفاده تجاری از باتری‌های لیتیم-سولفور است.

پایداری بلندمدت

ماده جدید کربن با استفاده از فرآیند کاهش حرارتی ساخته شد که شامل منیزیم و ZIF-8، یک قاب فلز-آلی است.

در دماهای بالا، منیزیم با نیتروژن در ZIF-8 واکنش می‌دهد، ساختار کربن را پایدارتر کرده و انواع مختلفی از منافذ را ایجاد می‌کند. این منافذ بارگذاری سولفور و تماس بین سولفور و الکترولیت را بهبود می‌بخشند، که عملکرد باتری را افزایش می‌دهد.

در این مطالعه، باتری لیتیم-سولفور از این ماده کربنی به عنوان میزبان سولفور استفاده کرد. باتری، حتی در شرایط شارژ سریع که تنها ۱۲ دقیقه برای شارژ کامل زمان می‌برد، ظرفیتی بالا به مقدار ۷۰۵ میلی‌آمپر ساعت بر گرم (mAh g⁻¹) به‌دست آورد، که ۱.۶ برابر بهتر از باتری‌های معمولی است.

علاوه بر این، دوپ نیتروژن بر سطح کربن از حرکت پلی‌سولفیدهای لیتیمی درون باتری جلوگیری کرد، که می‌تواند عملکرد را کاهش دهد. در نتیجه، باتری ۸۲ درصد از ظرفیت خود را پس از ۱۰۰۰ چرخه شارژ و دشارژ حفظ کرد، و ثابت‌کرد پایداری بلندمدت و عملکرد عالی خود را.

در تحقیق، تیم تحلیل‌های میکروسکوپی پیشرفته انجام داد. آن‌ها کشف کردند که Li₂S در یک جهت خاص درون ساختارهای لایه‌ای ماده جدید کربن تشکیل می‌شود. این تأیید کرد که دوپ نیتروژنی و ساختار کربن متخلخل بارگذاری سولفور را بهبود داد و طبیعت گرافیتی کربن واکنش‌های سولفور را تقویت کرده، که منجر به شارژ سریع‌تر شده است.

پروفسور جونگ-سونگ یو، از دپارتمان علم و مهندسی انرژی در DGIST، در یک بیانیه گفت: «این تحقیق بر بهبود سرعت شارژ باتری‌های لیتیم-سولفور با استفاده از یک روش سنتز ساده شامل منیزیم متمرکز بود. امیدواریم این مطالعه تجاری‌سازی باتری‌های لیتیم-سولفور را تسریع کند.»

جزئیات تحقیقات تیم در ژورنال ACS Nano منتشر شده است.