بررسی مقالات باتری لیتیوم سولفور(قسمت اول)
مقدمه:
در قسمت‌های قبل به نحوه عملکرد باتری‌های لیتیوم سولفور پرداختیم و دیدیم که در این باتریها، لیتیوم با ورود به درون ساختار کاتد، به صورت پلی‌سولفیدها ذخیره می‌شوند و با پیشرفت فرایند ذخیره‌سازی لیتیوم، این پلی سولفیدها، به دو فراورده نهایی Li2S و Li2S2 تبدیل می‌شوند و همچنین، چندین چالش را بررسی کردیم که از جمله‌ی این چالش‌ها، حل شدن پلی‌سولفیدها درون الکترولیت بود که این اتفاق، منجر به کاهش ماده‌ی فعال در سمت کاتد می‌گردید.
دراین قسمت قصد داریم که با بررسی مقالات اخیر، روش‌های جلوگیری از مشکالات مطرح شده را به صورت اجمالی بررسی کنیم و مشاهده میکنیم که این مشکلات چگونه و با چه ایده‌های ساده، قابل برطرف شدن هستند.
راه‌کارهای کلی:
در فصل قبل دیدیم که مشکل اساسی کاتدهای سولفور، حل شدن پلی‌سولفیدها درون الکترولیت بود که اگر بتوانیم این مشکل را بر طرف کنیم، تقریبا تمام مشکلات را حل کرده‌ایم. دو راه حل کلی برای جلوگیری از کم شدن ماده فعال وجود دارد که بسیاری از مقالات در این زمینه، پیرامون این دو راه حل کلی هستند.
راه‌حل اول، این است که نگذاریم پلی‌سولفید درون الکترولیت حل شود! در این روش، با تغییر در ساختار باتری می‌توانیم این امر را محقق کنیم. راه حل دوم این است که اگر پلی‌سولفید درون الکترولیت حل شد، نگذاریم که به سمت آند حرکت کند زیرا که اگر پلی‌سولفید به سمت آند برود، عملا سولفور را که ماده‌ی فعال ما هست، از دست می‌دهیم. در ادامه مقالاتی را بررسی خواهیم کرد و می‌بینیم که با روش‌های خلاقانه، از کاهش سولفور در سمت کاتد جلوگیری می‌شود.
در کل میتوان با تغییر ساختار باتری، این امر مهم را که نگه داشتن ماده‌ی فعال در سمت کاتد است، تحقق ببخشیم. باتری از اجزای مختلفی تشکیل شده است که با تغییر هرکدام از این اجزا، میتوان بهبود عملکرد بسیار زیادی را در اینگونه از باتریها مشاهده کنیم. الکترولیت، بایندر، جداکننده، ساختار کاتد، ماده فعال کاتد و حتی ساختار آند نقش بسیار کلیدی در این باتریها ایفا می‌کنند که با تغییر در هر کدام از این اجزا، نتایجی خارق‌العاده‌ای به دست می‌آید.
در قسمت‌های بعدی با بررسی تک تک این موارد، می‌بینیم که تغییر در هر کدام از این اجزا، پایداری و ظرفیت باتری‌های لیتیوم سولفور چگونه تحت تاثیر قرار می‌گیرد. در این فصل سعی شده است که مقالات جذاب و با نتایج بسیار خوب مورد بررسی قرار گیرند و تا حد توان به بررسی تک تک این موارد پرداخته شده است.
بایندر:
همانطور که میدانیم، بایندر یک افزودنی است که مثل یک چسب، اجزای یک الکترود را کنار هم نگه می‌دارد و از ناپایداری و ازهم‌گسیختگی الکترود جلوگیری میکند. با طراحی و ساخت دقیق این ماده، میتوان عملکرد این نوع از باتریها را ارتقا داد. در سال 2016، خانم Bhattacharya، به کمک همکارانش، یک بایندر را معرفی کردند که این بایندر، توانایی این را دارد که وقتی پلی‌سولفید تشکیل شد، با جذب پلی‌سولفیدها، از حل شدن آن‌ها جلوگیری کند.
همان طور که از شکل1 مشخص است، این بایندر دارای تعداد زیادی گروه‌های عاملی است که همانند یک چنگک، پلی‌سولفید را جذب کرده و مانع از حل شدن پلی‌سولفید می‌شود. همچنین در این شکل، گروه‌های عاملی مختلفی را که در این بایندر میتواند وجود داشته باشد، مشاهده میکنیم. همانطور که اشاره شد، پلی‌سولفید با گیرکردن در این شاخه‌ها، از ورودش به الکترولیت جلوگیری می‌شود که میتوان گفت که جذب پلی‌سولفیدها، به دلیل همین گروه‌های عاملی است.
این شاخه‌ها، با نام PAMAM شناخته می‌شوند که مخفف عبارت polyamidoamine است. در قسمت «ج» این شکل، یک نمای گرافیکی از این کاتد را مشاهده میکنیم و نکته‌ی جالب توجه در این شکل این است که ذرات کربن نیز به این کاتد اضافه شده و دلیل اضافه کردن این ذرات، رسانایی کم سولفور می‌باشد که در قسمت‌های قبل به آن اشاره شد. در قسمت «د» از این شکل، پودر خشک و آغشته به حلال را مشاهده میکنیم که تقریبا شبیه به بایندرهای معمول ماست.
شکل 2 نمودار ظرفیت بر واحد جرم و حجم را برای دو بایندر با اسم‌های G4OH و G4CMP را نشان می‌دهد که این اسم‌ها مطابق با آخرین گروه عاملی موجود در بایندر تعیین می‌شود که مطابق شکل 1 قسمت «ب» این اسم‌ها نام‌گذاری شده‌اند. در این دو نمودار، می‌بینیم که چگونه یک راه حل ساده، این چنین تغییری را در عملکرد باتری ایجاد میکند. پایداری این سلول ساخته شده، و ظرفیت جرمی آن، نشان می‌دهد که بایندرهای درختی، تاثیر به سزایی در عملکرد این باتریها دارد.
همان طور که در فصل قبل ذکر شد، برای صنعتی شدن، دو شرط مورد نیاز است که در این مقاله شرط ظرفیت حجمی کمتر از 4mAh/cm2 به دست آمده اما مهم این است که با یک ایده‌ی بسیار ساده، این چنین ظرفیت جرمی بالا و پایداری بسیار خوب را به دست آوردیم.
در مقاله‌ای دیگر که در سال 2015 توسط دکتر Fanglei Zeng نوشته شده، به کمک بایندری که نام علمی آن β-CDp-N+ است، همانند مقاله‌ی قبل، از حل شدن پلی‌سولفیدها جلوگیری میکند. در این بایندر، به دلیل وجود بار سطحی مثبت، از حل شدن پلی‌سولفیدها جلوگیری می‌شود زیرا پلی‌سولفیدها به خاطر بار منفی، توسط باز مثبت بایندر جذب می‌شود و از ورود آن به درون الکترولیت مانع به عمل می‌آید. شکل 4 این بایندر را نشان می‌دهد و ملاحظه میکنیم که این بایندر واقعا ساختار پیچیده‌ای دارد.
در این نوع از بایندر، بار مثبت بر روی اتم نیتروژن قرار گرفته است و این بار مثبت است که پلی‌سولفیدها را جذب میکند. در این آزمایش، مقدار سولفور مورد استفاده به میزان 5.5mg/cm2 بوده که یک مقدار بسیار خوب برای باتری‌های صنعتی است. برای نگه داشتن این مقدار از ماده‌ی فعال، بایندر باید توانایی فوق‌العاده‌ای داشته باشد زیرا این مقدار از سولفور، 90% از وزن کل را تشکیل می‌دهد پس بایندر با میزان کم باید بتواند این مقدار از سولفور را کنار هم نگه دارد. شکل 3، نشان دهنده‌ی عملکرد دقیق این بایندر است که مشاهده می‌کینیم که چگونه بایندر، پلی‌سولفیدها را در کنار خود نگه داشته است.
در این شکل، دو حالت بدون بایندر و همراه با بایندرِ نام برده شده در بالا، با یک دیگر مقایسه شده است که در حالت بدون بایندر β-CDp-N+ پلی‌سولفیدها، به درون الکترولیت نفوذ کردند. نکته جالب در این ساختار این است که ماده فعال به صورت کامپوزیت کربن و سولفور تهیه شده است تا رسانایی بالایی به ما بدهد. شکل5، تکمیل کننده‌ی عملکرد بی‌نظیر این ساختار است.
در این شکل نمودار ظرفیت بر حسب تعداد سیکل کاری را مشاهده میکنیم و می‌بینیم که ظرفیت فوق‌العاده بالایی را در اختار ما گذاشته است و حتی این بایندر، باتری را آماده‌ی ورود به صنعت کرده است زیرا ظرفیت سطحی بالای 4mAh/cm2 را به ارمغان آورده و همچنین این نمودار مقایسه‌ی حالت بایندر PVDF را با بایندر β-CDp-N+ انجام داده که مشخص است که چگونه بایندر بر عملکرد یک باتری تاثیر گذار است.
در این قسمت، ما دو مورد از مثال‌هایی را بررسی کردیم که این مثال‌ها، با تمرکز بر روی بایندر، نتایج بسیار خوبی را برای ما فراهم کرده‌اند. در کل، بایدر نلم برده شده، با جذب پلی‌سولفید، مانع از گسترس این مواد به درون الکترولیت می‌شوند و همانطور که دیدیم، پایداری بسیار خوبی را از خود به نمایش گذاشتند.
