شارژ کامل در ۱۲ دقیقه؛ آینده‌ای نزدیک

جهان صنعت نیوز، تیمی از محققان به رهبری جونگ-سونگ یو از دانشکده علوم و مهندسی انرژی دانشگاه DGIST (به ریاست کون‌وو لی)، فناوری نوآورانه‌ای را برای بهبود سرعت شارژ باتری‌های لیتیوم-سولفور توسعه داده‌اند.

به گزارش خبرنگار علمی برنا به نقل از ساینس دیلی، این تیم با استفاده از ماده‌ای جدید به نام “کربن متخلخل با دوپت نیتروژن” توانست محدودیت‌های شارژ کند در باتری‌های لیتیوم-سولفور را که مانع تجاری‌سازی این نوع باتری‌ها شده بود، رفع کند.

چالش‌های توسعه باتری‌های لیتیوم-سولفور

در حالی که باتری‌های لیتیوم-یون نقش مهمی در فناوری‌های دوستدار محیط‌زیست مانند خودرو‌های برقی ایفا می‌کنند، با محدودیت‌هایی مانند ظرفیت ذخیره‌سازی کم انرژی و هزینه تولید بالا مواجه‌اند. در مقابل، باتری‌های لیتیوم-سولفور به دلیل چگالی انرژی بالاتر و ارزان بودن ماده سولفور به عنوان جایگزینی امیدوارکننده مطرح شده‌اند. با این حال، استفاده ناکارآمد از سولفور در شارژ سریع و کاهش ظرفیت باتری، تجاری‌سازی این فناوری را با چالش مواجه کرده است.

یکی دیگر از مشکلات این باتری‌ها، تولید ترکیبات “پلی‌سولفید لیتیوم” در فرآیند تخلیه شارژ است که باعث کاهش عملکرد باتری می‌شود. برای حل این مشکلات، دانشمندان تاکنون تلاش کرده‌اند از ساختار‌های کربنی متخلخل برای بهبود عملکرد باتری استفاده کنند، اما هنوز به عملکردی مناسب برای تجاری‌سازی نرسیده‌اند.

پیشرفت جدید در باتری‌های لیتیوم-سولفور

برای رفع این چالش‌ها، تیم پروفسور یو ماده‌ای کربنی با ساختار چندمتخلخل و گرافیتی بالا را که با نیتروژن دوپ شده بود، سنتز کرد و آن را در کاتد باتری‌های لیتیوم-سولفور به کار برد. این ماده نوآورانه ظرفیت انرژی بالایی را حتی در شرایط شارژ سریع حفظ می‌کند.

سنتز ماده کربنی پیشرفته

این ماده جدید از طریق روشی ساده به نام “کاهش حرارتی با کمک منیزیم” و با استفاده از ماده ZIF-۸ سنتز شد. ZIF-۸ نوعی چارچوب فلزی-آلی با پایداری حرارتی و شیمیایی بالا و ساختار متخلخل خاص است.

در دما‌های بالا، منیزیم با نیتروژن موجود در ZIF-۸ واکنش داده و ساختار کربن را پایدارتر و مقاوم‌تر می‌کند و ساختاری متخلخل ایجاد می‌کند. این ساختار باعث بارگذاری بیشتر سولفور و بهبود تماس بین سولفور و الکترولیت شده و عملکرد باتری را به طور قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد.

باتری لیتیوم-سولفوری که در این مطالعه توسعه داده شد، از ماده کربنی چندمنظوره‌ای که از طریق روش کاهش حرارتی با کمک منیزیم سنتز شده بود، به عنوان میزبان سولفور استفاده کرد. این باتری حتی در شرایط شارژ سریع با زمان شارژ کامل تنها ۱۲ دقیقه، به ظرفیت ۷۰۵ میلی‌آمپر ساعت بر گرم دست یافت که ۱.۶ برابر بهتر از باتری‌های معمولی است. همچنین، دوپ نیتروژن روی سطح کربن، به طور مؤثری از مهاجرت پلی‌سولفید‌های لیتیوم جلوگیری کرده و باتری را قادر ساخته تا ۸۲ درصد ظرفیت خود را پس از ۱،۰۰۰ چرخه شارژ-تخلیه حفظ کند و پایداری بسیار خوبی نشان دهد.

در این تحقیق، تیم مشترک به رهبری خلیل امین از آزمایشگاه ملی آرگون، آنالیز‌های میکروسکوپی پیشرفته‌ای را انجام دادند. این آنالیز‌ها نشان داد که سولفید لیتیوم (Li₂S) در جهت خاصی در ساختار‌های لایه‌ای ماده کربنی جدید تشکیل شده است. این یافته‌ها تأیید کرد که دوپ نیتروژن و ساختار متخلخل کربنی بارگذاری سولفور را افزایش داده و طبیعت گرافیتی کربن سرعت واکنش‌های سولفور را تسریع کرده و زمان شارژ را بهبود بخشیده است.

یو در این باره گفت: «این پژوهش بر بهبود سرعت شارژ باتری‌های لیتیوم-سولفور با استفاده از یک روش سنتز ساده مبتنی بر منیزیم متمرکز بود. امیدواریم این مطالعه تجاری‌سازی باتری‌های لیتیوم-سولفور را تسریع کند.»

این پژوهش با حمایت برنامه پشتیبانی از محققان میانسال بنیاد تحقیقات ملی کره انجام شده است.

منبع: برنا

دانش و فناوری