دستیابی به ۸۰٪ ظرفیت در ۲۵,۰۰۰ چرخه‌ی شارژ: پیشرفت بزرگ در باتری لیتیوم-گوگرد
محققان چینی و آلمانی موفقیتی مهم در فناوری باتری لیتیوم-گوگرد اعلام کرده‌اند که ثبات و عملکرد بهبود یافته‌ای را نشان می‌دهد.
بر اساس مطالعه آنها که در مجله Nature منتشر شده است، باتری لیتیوم-گوگرد جدید از الکترولیت‌های جامد استفاده می‌کند که به نظر می‌رسد اکثر مشکلات حلوی بودن ترکیبات میانی را حل کرده است.
لیتیوم در دهه‌های گذشته به عنوان ماده‌ای شگفت‌انگیز در دنیای باتری‌ها شناخته شده است. این موضوع به ویژه در جهان رو به رشد باتری‌های حالت جامد صدق می‌کند. با این حال، در حالی که سیلیکون برای این نقش بسیار مفید بوده است، گوگرد می‌تواند لیتیوم بیشتری نسبت به سیلیکون ذخیره کند و به‌رغم چالش‌هایش، گزینه‌ای امیدوارکننده به حساب می‌آید.
به خصوص، محققان به گوگرد توجه کردند که به دلیل فراوانی و هزینه کم برای این کار جذاب بوده است.
آیا گوگرد راز باتری‌های حالت جامد است؟
با وجود پتانسیل آن، گوگرد تمایل به هدایت ضعیف دارد و انبساط آن در حین ذخیره‌سازی لیتیوم چالش‌هایی به همراه دارد.
همچنین گوگرد تمایل دارد با لیتیوم واکنش دهد و ترکیبات میانی تولید کند که در بیشتر الکترولیت‌های مایع حل می‌شود. این اتفاق ایده‌آل نیست زیرا منجر به ناکارآمدی‌هایی مانند خود تخلیه و کاهش سریع ظرفیت می‌شود.
این مسائل به‌طور قابل‌توجهی طول عمر باتری‌های لیتیوم-گوگرد را به چند صد چرخه محدود کرده‌اند. برای کمک به حل این مسائل، دو تیم تحقیقاتی مستقل چینی و آلمانی بر این باورند که ممکن است پیشرفتی داشته باشند.
اولین اقدام شامل استفاده از گوگرد در باتری‌های حالت جامد است. الکترولیت‌های جامد تمایل به داشتن ساختار اتمی متخلخل دارند که امکان پخش یون‌ها را فراهم می‌کند و در عین حال حرکت ترکیبات میانی مبتنی بر گوگرد را محدود می‌سازند. این روش همچنین با بهبود قابل توجه در کارایی شارژ همراه است.
این موفقیت با توسعه یک مخلوط شیشه‌ای از بور ، گوگرد، لیتیوم، فسفر و ید به دست آمد. اخیراً ثابت شده که این ترکیب راز موفقیت، با تسریع انتقال الکترون‌ها از طریق واکنش‌های ردوکس و افزایش سرعت واکنش در الکترودها است.
باتری حاصله قابلیت‌های چشم‌گیری از خود نشان داد. حتی در شرایط شارژ با سرعت بالا (۱۲۲ درجه فارنهایت/۵۰ درجه سلسیوس، که باعث می‌شود شارژ کامل در بیش از یک دقیقه انجام شود)، باتری نیمی از ظرفیت خود را در مقایسه با نرخ شارژ کندتر حفظ کرد.
نتایج چشم‌گیر در آزمون‌ها
این باتری بیش از ۸۰٪ ظرفیت اولیه خود را پس از ۲۵,۰۰۰ چرخه شارژ/تخلیه حفظ کرد. این ماندگاری به مراتب بیشتر از باتری‌های لیتیوم-یون است که پس از حدود ۱۰۰۰ چرخه کاهش می‌یابد.
با وجود این دستاوردها، هنوز سوالاتی درباره چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم-گوگرد باقی مانده است. تنظیم آزمایشی از ترکیب موادی از جمله فویل فلزی ایندیوم-لیتیوم و مخلوطی از کربن-گوگرد با الکترولیت شیشه‌ای استفاده کرد.
محاسبات ظرفیت گزارش شده وزن گوگرد را در نظر گرفتند و ابهاماتی درباره کارایی وزن و حجم کل باتری باقی گذاشتند.
در حالی که این باتری‌ها ممکن است برای کاربردهای کوچک مانند تلفن‌های همراه یا خودروهای برقی مناسب نباشند، دوام و قابلیت‌های شارژ سریع آنها باعث می‌شود برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ایستگاهی ایده‌آل باشند.
باتری‌های لیتیوم-گوگرد در صورت تحقق تولید انبوه می‌توانند صنایع وابسته به راهکارهای ذخیره‌سازی انرژی با دوام و عملکرد بالا را متحول کنند.
این مطالعه در مجله Nature منتشر شده است.
