محققان باتری‌های لیتیوم-گوگرد(Li-S) را با افزودنی‌های الکترولیت نوآورانه برای حل چالش‌های کلیدی مرتبط با آنها ساخته‌اند.

باتری‌های Li-S با چالش‌هایی مانند خیس شدن ضعیف الکترولیت و انتقال آهسته یون در کاتدهای ضخیم گوگرد، به ویژه در شرایط عملی مواجه هستند.

یک مطالعه جدید نشان می‌دهد که یک افزودنی اسید لوئیس(LAA) که قبلا تصور می‌شد نامناسب است، می‌تواند یک لایه بین فازی یکنواخت را داخل کاتد تشکیل و انتقال یون را افزایش دهد.

محققان با استفاده از تکنیک‌ها و شبیه‌سازی‌های پیشرفته، این رویکرد را تأیید می‌کنند و بینش‌های جدیدی را در مورد فعل و انفعالات الکترولیت-کاتد ارائه می‌کنند و راه را برای بهبود عملکرد باتری Li-S هموار می‌کنند.

تیم آزمایشگاه ملی آرگون(ANL) در وزارت انرژی ایالات متحده(DOE) ادعا می‌کند که طراحی این الکترولیت جدید می‌تواند چگالی انرژی را بهبود بخشد، هزینه را کاهش دهد و عمر چرخه را نیز افزایش دهد.

باتری‌های Li-S پیشرفته

همین طور که جهان به سمت استفاده بیشتر از نیروی برق می‌رود، دانشمندان از سراسر جهان در حال رقابت برای ایجاد باتری‌های فراتر از لیتیوم هستند، با وجود این واقعیت که باتری‌های لیتیوم-یون تاکنون موفقیت بزرگی کسب کرده‌اند.

باتری‌های لیتیوم-یونی تجاری از مواد نسبتاً پرهزینه‌ای مانند ترکیبات کبالت و نیکل استفاده می‌کنند که به شدت به زنجیره‌های تامین ناپایدار وابسته هستند و چگالی انرژی کمتری نسبت به باتری‌های جایگزین دارند.

از آن سو باتری‌های لیتیوم-گوگرد(Li-S) که دارای یک کاتد گوگرد و یک آند فلزی لیتیوم هستند، یکی از قابل استفاده‌ترین جایگزین‌ها برای باتری‌های لیتیوم-یون هستند. این ترکیب الکترود از منابعی استفاده می‌کند که به راحتی در زمین در دسترس هستند و دو تا سه برابر چگالی انرژی و هزینه کمتر را نوید می‌دهند.

باتری‌های لیتیوم-گوگرد با چالش‌هایی مانند عمر چرخه کوتاه ناشی از کوچ پلی سولفید و واکنش‌های شیمیایی ناهموار مواجه هستند. برخلاف باتری‌های لیتیوم-یونی که یون‌های لیتیوم را بین لایه‌های کاتد ذخیره می‌کنند، باتری‌های لیتیوم-گوگرد به واکنش‌های شیمیایی متکی هستند که در آن گوگرد به پلی سولفیدهای محلول تبدیل می‌شود.

به گفته محققان، این اتفاق موجب ایجاد یک اثر رفت و آمدی(shuttling) رسوب مواد در آند و کاهش عملکرد می‌شود. راهبردهای رفع این مشکل شامل افزودنی‌های الکترولیت است که قبلاً به دلیل واکنش شیمیایی آنها با کاتد گوگرد و سایر اجزای باتری ناسازگار در نظر گرفته می‌شد.

محلول‌های لیتیوم پایدار

پژوهشگران برای مقابله با این چالش‌ها کلاس جدیدی از افزودنی‌ها را توسعه داد که عملکرد باتری را بهبود می‌بخشد. آنها با مدیریت دقیق برهمکنش مواد افزودنی با ترکیبات گوگردی، با موفقیت یک رابط بهبود یافته بین کاتد و الکترولیت ایجاد کردند که انتقال نرم‌تر لیتیوم-یون را ممکن می‌سازد.

گویلیانگ ژو(Guiliang Xu) شیمیدان ANL و سرپرست این تحقیق در بیانیه‌ای گفت: این افزودنی که افزودنی اسید لوئیس(Lewis acid additive) نامیده می‌شود، نمکی است که با ترکیبات پلی سولفید واکنش داده و یک لایه روی کل الکترود تشکیل می‌دهد.

وی افزود: نکته کلیدی این است که یک واکنش جزئی برای تشکیل داشته باشیم که بدون واکنش مداوم باشد که مواد را مصرف می‌کند و چگالی انرژی را کاهش می‌دهد.

این افزودنی یک لایه محافظ روی آند و کاتد تشکیل می‌دهد و اثر رفت و آمدی را سرکوب می‌کند، سلول را تثبیت می‌کند و انتقال کارآمد یون را ارتقا می‌دهد. این طراحی الکترولیت، انحلال گوگرد را به حداقل می‌رساند و یکنواختی واکنش را بهبود می‌بخشد و امکان استفاده از افزودنی‌های ناسازگار قبلی را نیز فراهم می‌کند.

محققان این الکترولیت جدید را با یک الکترولیت معمولی مقایسه و مشاهده کردند که تشکیل و انحلال پلی سولفید به میزان قابل توجهی کاهش یافته است که از طریق تکنیک‌های پیشرفته اشعه ایکس تأیید شده است. همچنین یافته‌ها نشان داد که طراحی این الکترولیت با ردیابی واکنش‌ها در طول شارژ و تخلیه، به طور موثری مشکلات رفت و آمد پلی سولفید را کاهش می‌دهد.

این تیم ادعا می‌کند که رابط بهبود یافته همچنین انتقال یون را افزایش می‌دهد، ناهماهنگی‌های واکنش را کاهش می‌دهد و چالش‌های کلیدی در عملکرد باتری لیتیوم-گوگرد را برطرف می‌کند.

ژو افزود: ما معتقدیم باتری‌های لیتیوم-گوگرد با بهینه‌سازی بیشتر و توسعه الکترودهای گوگرد می‌توانند به چگالی انرژی بالاتر و عملکرد کلی بهتر دست یابند و به پذیرش تجاری آنها کمک شود.

پایداری و ایمنی فلز لیتیوم به دلیل واکنش‌پذیری و اشتعال‌پذیری الکترولیت هنوز چالش‌های اصلی برای باتری‌های لیتیوم-گوگرد است و محققان در حال تولید الکترولیت‌های ایمن‌تر و پایدارتر هستند.

تکنیک‌های پیشرفته پرتو ایکس در منبع فوتون پیشرفته ANL، از جمله طیف‌سنجی جذب، تصویربرداری پراش و نقشه‌برداری فلورسانس، حلالیت پلی سولفید، یکنواختی واکنش سلولی و کوچ گوگرد را نشان می‌دهد و بینش‌هایی را برای رسیدگی به این مسائل و بهبود عملکرد باتری ارائه می‌دهد.

جزئیات این پژوهش در مجله Joule منتشر شده است.