طراحی ماده‌ی کاتدی فوق پایدار بر پایه‌ی سولفور
محققان آزمایشگاه ملی بروک هاون در دپارتمان انرژی ایالات متحده (DOE)، یک ماده کاتدی آلی جدید برای باتری‌های لیتیوم یونی طراحی کردند. به دلیل قرارگیری گوگرد درون آن، این ماده دارای چگالی انرژی بالاتر، ارزانتر و از نظر زیست محیطی سازگارتر از مواد کاتدی رایج در باتری‌های لیتیوم یون است.
از گوشی‌های تلفن همراه هوشمند گرفته تا خودروهای الکتریکی که به تکنولوژی‌های اساسی در زندگی روزمره تبدیل شده‌اند، باتری‌های لیتیوم یون جز جدا ناشدنی این وسایل‌اند و از آنجا که که تقاضا برای این محصولات پیوسته رو به افزایش است دانشمندان در حال بررسی چگونگی بهینه سازی مواد کاتدی برای بهبود راندمان کلی سیستم باتری‌های لیتیوم یون هستند.
باتری‌های لیتیوم یونی تجاری در وسایل الکترونیکی کوچک استفاده می شوند، با این وجود، برای طی کردن مسافت‌های طولانی با خودروهای الکتریکی، نیاز است چگالی انرژی آن‌ها بیشتر باشد. دانشمندان در تلاش‌اند که سیستم‌های باتری جدید با چگالی انرژی بالا و عملکرد پایدار توسعه دهند. علاوه بر حل چالش‌های انرژی در سیستم‌های باتری، محققان بروک هاون در حال جستجوی روش‌های طراحی مواد پایدارتر در باتری‌ها هستند. محققان در جستجوی ماده کاتدی پایدار که در عین حال بتواند چگالی انرژی بالایی فراهم کند، گوگرد را که یک عنصر غنی و ایمن است انتخاب کردند.
گوگرد می‌تواند پیوند‌های زیادی تشکیل دهد و این به معنی آن است که قادر است مقدار لیتیوم بیشتری را در خود نگه دارد و بنابراین دارای چگالی انرژی بیشتری خواهد بود. همچنین گوگرد سبکتر از عناصر رایج مواد کاتدی است، بنابراین اگر یک باتری از گوگرد ساخته شود باتری حاصله سبکتر خواهد بود و اتومبیل با همان مقدار شارژ می تواند مقدار مسافت بیشتری را طی کند.
در هنگام طراحی مواد کاتدی جدید، محققان یک ترکیب ارگانوسولفید انتخاب کردند که از عناصری همچون کربن، هیدروژن، گوگرد و اکسیژن تشکیل شده است که نسبت به فلزات سنگین موجود در باتری‌های لیتیوم یون زیست سازگارتر می‌باشند. اگرچه باتری‌های گوگردی می توانند ایمن تر و از نظر انرژی چگال تر باشند اما با چالش‌های دیگری مواجه هستند.
هنگامی که باتری در حال شارژ شدن و یا تخلیه است، گوگرد می‌تواند ترکیبی نامطلوب تشکیل دهد که در الکترولیت حل می‌شود و در سراسر باتری نفوذ می کند که این باعث واکنشی نامطلوب می گردد. برای پایدار نمودن گوگرد ما تلاش نمودیم یک ماده کاتدی که اتم‌های گوگرد به پیکره ی آلی آن متصل شده‌اند طراحی کنیم.
این دانشمندان با استفاده از اشعه x در دو آزمایش مختلف اشعه ایکس (XPD) و پرتو طیف سنجی اشعه ایکس (IOS) توانستند نشان دهند که این عناصر خاص چگونه می توانند در عملکرد ماده کاتدی موثر باشند. مطالعه ی مواد آلی باتری با استفاده از منابع شتاب دهنده نور می تواند سخت باشد، زیرا ترکیبات آلی در مقایسه با فلزات سنگین، سبک‌تراند و اتم‌های آن‌ها نظم کمتری دارند لذا نتایج ضعیفی نشان داده خواهد شد اما با اشعه‌ی ایکس پرانرژی و با شار بسیار بالا می‌توان غلظت و فعالیت هر عنصر در ماده شامل عناصر آلی سبکتر و با نظم کمتر را تشخیص داد.
محققان از اشعه ی ایکس در IOS برای کاوش مستقیم اتم اکسیژن در پیکره ماده و مطالعه ی ساختار الکترونیکی آن قبل و بعد از شارژ و دشارژ باتری استفاده کردند و نشان دادند که گروه کربونیل (که دارای یک پیوند دوگانه بین یک اتم کربن و یک اتم اکسیژن است) نه تنها نقش مهمی در بهبود قابلیت شارژ سریع و دشارژ باتری ایفا می نماید بلکه ظرفیت زیادی هم ایجاد می کند.
به اعتقاد دانشمندان، باتری‌های بر مبنای سولفور نسل بعدی باتری‌های لیتیوم یون خواهد بود که در آینده شاهد پیشرفت‌های عظیمی در این حوزه هستیم. این باتری‌ها به دلیل ظرفیت تئوری بالا، مناسب برای خودروهای الکتریکی‌اند و می‌توانند مسافت طی شده برای این خودروها را بهبود ببخشند.
تاریخ: 10 آپریل 2019
منبع: www.sciencedaily.com
