طراحی الکترولیت قدرتمند توسط آمریکا برای افزایش عمر، انرژی و کارایی باتری‌های لیتیوم-گوگرد
پژوهشگران باتری‌های لیتیوم-گوگرد (Li-S) را با افزودنی‌های نوآورانه الکترولیت بهبود بخشیده‌اند تا به چالش‌های کلیدی مرتبط با آنها رسیدگی کنند.
باتری‌های Li-S با چالش‌هایی مانند مرطوب‌شدن ضعیف الکترولیت و انتقال کند یون در کاتدهای گوگرد ضخیم، به ویژه در شرایط عملی مواجه هستند.
مطالعه جدید نشان می‌دهد که افزودنی اسید لویی (LAA) که قبلاً نامناسب تصور می‌شد، می‌تواند لایه مفصلی یکنواختی درون کاتد ایجاد کند که انتقال یون را بهبود می‌بخشد.
با استفاده از تکنیک‌ها و شبیه‌سازی‌های پیشرفته، پژوهشگران این رویکرد را تأیید کرده و به بینش جدیدی درباره تعاملات الکترولیت-کاتد دست یافته‌اند که بهبود عملکرد باتری‌های Li-S را فراهم می‌کند.
تیم در آزمایشگاه ملی آرگون وزارت انرژی ایالات متحده (ANL) ادعا می‌کند که طراحی جدید الکترولیت می‌تواند چگالی انرژی را بهبود بخشد، هزینه را کاهش داده و طول عمر چرخه‌ای را افزایش دهد.
پیشرفت باتری‌های Li-S
در حالی که جهان به سمت الکتریکی‌تر شدن می‌رود، دانشمندانی از سراسر دنیا به دنبال ایجاد باتری‌هایی «فراتر از لیتیوم-یونی» هستند، اگرچه باتری‌های لیتیوم-یونی تاکنون موفقیت بزرگی بوده‌اند.
باتری‌های لیتیوم-یونی تجاری از مواد نسبتاً گران مانند ترکیبات کبالت و نیکل استفاده می‌کنند که به شدت وابسته به زنجیره‌های تامین نامطمئن هستند و چگالی انرژی کمتری نسبت به باتری‌های جایگزین دارند.
باتری‌های Li-S، که دارای کاتد گوگرد و آند فلز لیتیوم هستند، یکی از پایدارترین جایگزین‌های باتری‌های لیتیوم-یونی محسوب می‌شوند. این ترکیب الکترود از منابعی استفاده می‌کند که به راحتی در زمین قابل دسترسی هستند و وعده چگالی انرژی دو تا سه برابر بیشتر و هزینه کمتر را می‌دهد.
باتری‌های لیتیوم-گوگرد با چالش‌هایی مانند طول عمر چرخه‌ای کوتاه ناشی از مهاجرت پلی‌سولفید و واکنش‌های شیمیایی نامنظم روبرو هستند. برخلاف باتری‌های لیتیوم-یونی، که یون‌های لیتیوم را بین لایه‌های کاتد ذخیره می‌کنند، باتری‌های Li-S به واکنش‌های شیمیایی وابسته هستند که در آن گوگرد به پلی‌سولفیدهای قابل حل تبدیل می‌شود.
به گفتهٔ پژوهشگران، این امر باعث ایجاد اثر "برداشت" می‌شود و مواد را در آند ته‌نشین کرده و عملکرد را کاهش می‌دهد. استراتژی‌های مقابله با این شامل افزودنی‌های الکترولیت است که قبلاً به دلیل واکنش‌پذیری شیمیایی آنها با کاتد گوگرد و دیگر اجزای باتری ناسازگار تصور می‌شدند.
راه‌حل‌های لیتیوم پایدار
برای مقابله با این چالش‌ها، تیم ANL کلاس جدیدی از افزودنی‌ها را توسعه دادند که عملکرد باتری را بهبود می‌بخشند. با مدیریت دقیق تعاملات افزودنی‌ها با ترکیبات گوگرد، پژوهشگران با موفقیت یک رابط بهبود یافته بین کاتد و الکترولیت ایجاد کرده‌اند که انتقال یون لیتیوم را روان‌تر می‌کند.
"افزودنی، موسوم به افزودنی اسید لویی، یک نمک است که با ترکیبات پلی‌سولفید واکنش داده و یک پوشش بر روی کل الکترود تشکیل می‌دهد. نکته کلیدی داشتن واکنش جزئی برای تشکیل پوشش بدون داشتن یک واکنش پیوسته که مواد را مصرف کرده و چگالی انرژی را کاهش می‌دهد," گفت گیولینگ ژو، شیمی‌دان ANL و سرپرست این پژوهش‌ها، در بیانیه‌ای.
افزودنی یک پوشش محافظ بر روی آند و کاتد تشکیل می‌دهد، اثر شاتل را سرکوب کرده، سلول را تثبیت می‌کند و انتقال یون کارآمد را ترویج می‌دهد. این طراحی الکترولیت حل‌شدن گوگرد را به حداقل می‌رساند و یکنواختی واکنش را بهبود می‌بخشد، به‌طوری‌که استفاده از افزودنی‌های قبلاً ناسازگار ممکن می‌شود.
پژوهشگران الکترولیت جدید را با یک الکترولیت معمولی مقایسه کردند و تشکیل و حل‌شدن پلی‌سولفید به‌طور قابل توجهی کاهش‌یافته را مشاهده کردند که از طریق تکنیک‌های پیشرفته ایکس‌ری تأیید شد. با پیگیری واکنش‌ها در طول شارژ و تخلیه، یافته‌ها نشان دادند که طراحی الکترولیت به‌طور مؤثری مسائل مربوط به شاتل پلی‌سولفید را کاهش می‌دهد.
تیم ادعا می‌کند که رابط بهبود یافته همچنین انتقال یون را افزایش داده، ناسازگاری‌های واکنش را کاهش داده و به چالش‌های کلیدی در عملکرد باتری‌های لیتیوم-گوگرد رسیدگی می‌کند.
"با بهینه‌سازی و توسعه بیشتر الکترودهای گوگرد، ما بر این باور هستیم که باتری‌های Li-S می‌توانند چگالی انرژی بالاتر و عملکرد کلی بهتری داشته باشند و به پذیرش تجاری آنها کمک کنند," گفت ژو، در یک بیانیه.
پایداری و ایمنی فلز لیتیوم همچنان چالش‌های عمده ای برای باتری‌های Li-S هستند به دلیل واکنش‌پذیری آنها و اشتعال‌پذیری الکترولیت. پژوهشگران در حال توسعه الکترولیت‌های ایمن‌تر و پایدارتر هستند.
تکنیک‌های پیشرفته ایکس ری در منبع فوتون پیشرفته ANL، شامل اسپکتروسکوپی جذب، تصویر برداری تفکیکی و نقشه‌برداری فلورسانس، حلالیت پلی‌سولفید، یکنواختی واکنش سلولی و مهاجرت گوگرد را نشان داد که بینش‌هایی برای رسیدگی به این مسائل و بهبود عملکرد باتری ارائه کرد.
جزئیات تحقیق تیم در مجله Joule منتشر شد.
