اكتشف العلماء مسارًا غير متوقع للبطاريات ذات الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة والعمر الطويل

يكشف الباحثون عن طريق غير متوقع لتحسين بطاريات الليثيوم والكبريت من خلال تصور التفاعلات على المستوى الذري.

يمكن أن تكون الرحلة من الاكتشاف المختبري إلى التطبيق في العالم الحقيقي واسعة النطاق ومحفوفة بالتحديات. خذ على سبيل المثال بطارية الليثيوم والكبريت. على الرغم من أنها تتمتع بفوائد كبيرة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون الموجودة المستخدمة في المركبات، إلا أنها لم تترك أثرًا كبيرًا في السوق على الرغم من سنوات من التطوير الصارم.

ومن الممكن أن يتغير هذا الوضع في المستقبل بفضل جهود العلماء في وزارة الطاقة الأمريكية (وزارة الطاقة) مختبر أرجون الوطني. وعلى مدى العقد الماضي، حققوا العديد من الاكتشافات المحورية المتعلقة ببطاريات الليثيوم والكبريت. أحدث اكتشافاتهم، المنشورة في مجلة Nature، يفتح آلية تفاعل غير معروفة سابقًا تعالج عيبًا كبيرًا، وهو العمر القصير جدًا للبطاريات.

صرح Gui-Liang Xu، الكيميائي في قسم العلوم والهندسة الكيميائية في أرجون “يمكن لجهود فريقنا أن تقرب الولايات المتحدة خطوة كبيرة من مشهد نقل أكثر خضرة واستدامة.

توفر بطاريات الليثيوم-الكبريت ثلاث مزايا مهمة مقارنة ببطاريات الليثيوم-أيون الحالية. أولاً، يمكنها تخزين طاقة أكبر بمرتين إلى ثلاث مرات في حجم معين، مما يؤدي إلى مدى أطول للمركبة. ثانياً، إن انخفاض تكلفتها، الذي تسهله وفرة الكبريت والقدرة على تحمل تكاليفه، يجعلها قابلة للحياة اقتصادياً. وأخيرًا، لا تعتمد هذه البطاريات على الموارد الحيوية مثل الكوبالت والنيكل، والتي قد تواجه نقصًا في المستقبل.

مسارات تفاعل مختلفة من بولي كبريتيد الليثيوم (Li₂S₆) إلى كبريتيد الليثيوم (Li₂S) في بطاريات الليثيوم-الكبريت مع (يسار) وبدون (يمين) محفز في كاثود الكبريت. الائتمان: مختبر أرجون الوطني

وعلى الرغم من هذه الفوائد، فقد ثبت أن الانتقال من النجاح المختبري إلى الجدوى التجارية أمر بعيد المنال. أظهرت الخلايا المختبرية نتائج واعدة، ولكن عند توسيع نطاقها إلى الحجم التجاري، يتراجع أدائها بسرعة مع تكرار الشحن والتفريغ.

السبب الكامن وراء هذا الانخفاض في الأداء يكمن في ذوبان الكبريت من الكاثود أثناء التفريغ، مما يؤدي إلى تكوين بولي كبريتيد الليثيوم القابل للذوبان (Li₂س₆). تتدفق هذه المركبات إلى القطب السالب من معدن الليثيوم (الأنود) أثناء الشحن، مما يؤدي إلى تفاقم المشكلة. وبالتالي، فإن فقدان الكبريت من الكاثود والتغييرات في تكوين الأنود يعيق بشكل كبير أداء البطارية أثناء ركوب الدراجات.

في الآونة الأخيرة دراسة سابقةطور علماء أرجون مادة محفزة، والتي عند إضافتها بكمية صغيرة إلى كاثود الكبريت، تقضي بشكل أساسي على مشكلة فقدان الكبريت. وفي حين أظهر هذا المحفز نتائج واعدة في كل من الخلايا ذات الحجم التجاري والمختبري، إلا أن آلية عمله على المستوى الذري ظلت لغزًا حتى الآن.

وقد سلطت أحدث الأبحاث التي أجراها الفريق الضوء على هذه الآلية. في غياب المحفز، يتشكل بولي كبريتيد الليثيوم على سطح الكاثود ويخضع لسلسلة من التفاعلات، مما يؤدي في النهاية إلى تحويل الكاثود إلى كبريتيد الليثيوم (Li₂س).

“وقال شو: “لكن وجود كمية صغيرة من المحفز في الكاثود يحدث فرقًا كبيرًا”.​“ويتبع ذلك مسار رد فعل مختلف تمامًا، وهو مسار خالٍ من خطوات التفاعل الوسيطة.

المفتاح هو تشكيل كثيفة مقياس النانو فقاعات من بولي كبريتيد الليثيوم على سطح الكاثود، والتي لا تظهر بدون المحفز. تنتشر بولي كبريتيدات الليثيوم بسرعة في جميع أنحاء هيكل الكاثود أثناء التفريغ وتتحول إلى كبريتيد الليثيوم الذي يتكون من بلورات نانوية الحجم. تمنع هذه العملية فقدان الكبريت وانخفاض الأداء في الخلايا ذات الحجم التجاري.

ولفتح هذا الصندوق الأسود حول آلية التفاعل، استخدم العلماء تقنيات التوصيف المتطورة. تحليلات بنية المحفز باستخدام حزم الأشعة السينية السنكروترونية المكثفة عند خط الشعاع 20-بي إم لمصدر الفوتون المتقدم، أ وزارة الطاقة كشفت منشأة مستخدم مكتب العلوم أنها تلعب دورًا حاسمًا في مسار التفاعل. يؤثر هيكل المحفز على شكل وتكوين المنتج النهائي عند التفريغ، وكذلك المنتجات الوسيطة. مع المحفز، يتشكل كبريتيد الليثيوم البلوري النانوي عند التفريغ الكامل. وبدون المحفز، تتشكل هياكل على شكل قضبان مجهرية بدلاً من ذلك.

تقنية حيوية أخرى، تم تطويرها في جامعة شيامن، سمحت للفريق بتصور الواجهة البينية بين القطب والكهارل على مقياس النانو أثناء عمل خلية الاختبار. ساعدت هذه التقنية المبتكرة حديثًا على ربط التغييرات على المستوى النانوي بسلوك الخلية العاملة.

وأشار شو إلى أنه “بناء على اكتشافنا المثير، سنجري المزيد من الأبحاث لتصميم كاثودات كبريتية أفضل”. “سيكون من المفيد أيضًا استكشاف ما إذا كانت هذه الآلية تنطبق على بطاريات الجيل التالي الأخرى، مثل بطاريات كبريت الصوديوم.”

ومع هذا الإنجاز الأخير الذي حققه الفريق، يبدو مستقبل بطاريات الليثيوم والكبريت أكثر إشراقًا، مما يوفر حلاً أكثر استدامة وصديقًا للبيئة لصناعة النقل.

المرجع: “تصور سلوك التفاعل الجماعي بين الوجه لبطاريات Li-S” بقلم Shiyuan Zhou، وJie Shi، وSangui Liu، وGen Li، وFei Pei، وYouhu Chen، وJunxian Deng، وQizheng Zheng، وJiayi Li، وChen Zhao، وInhui Hwang، وCheng- جون صن، ويوزي ليو، ويو دينغ، ولينغ هوانغ، ويو تشياو، وغوي ليانغ شو، وجيان فينغ تشين، وخليل أمين، وشي جانج صن، وهونج جانج لياو، 6 سبتمبر 2023، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-023-06326-8

بالإضافة إلى شو، من بين المؤلفين شييوان تشو، جي شي، سانغي ليو، جين لي، فاي باي، يوهو تشن، جونكسيان دينغ، كيزينغ تشنغ، جياي لي، تشن تشاو، إنهوي هوانغ، تشنغ جون صن، يوزي ليو، يو دينغ ولينغ هوانغ، ويو تشياو، وجيان فنغ تشين، وخليل أمين، وشي جانج صن، وهونج جانج لياو.

وتشمل المؤسسات المشاركة الأخرى جامعة شيامن، وجامعة بكين للتكنولوجيا الكيميائية، وجامعة نانجينغ. تم دعم بحث أرجون من قبل مكتب تقنيات المركبات التابع لوزارة الطاقة في مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة.

استخدم هذا البحث موارد من مصدر الفوتون المتقدم، وهو مرفق مستخدم لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية يتم تشغيله لصالح مكتب وزارة الطاقة للعلوم بواسطة مختبر أرجون الوطني بموجب العقد رقم DE-AC02-06CH11357.