باتری لیتیوم سلنیوم ؛ طراحی هوشمندانه‌ی باتری‌های پر توان

 طراحی هوشمندانه‌ی باتری‌های پر توان بر پایه سلنیوم

باتری‌های لیتیوم یون یکی از مهمترین موضوعات مطرح شده در تحقیقات دانشگاهی و صنعتی است و روز به روز بر خلاقیت‌های این حوزه افزوده می‌شود. باتری‌های لیتیوم یون فعلی علی رغم قابلیت‌های بالا، پاسخگوی نیاز روزافزون صنایع و کاربردهای نوظهور مانند خودروهای الکتریکی نیستند.مسیر پیشرفت از باتری لیتیوم گوگرد گذر می‌کند و در نهایت به گزینه آخر فعلی یعنی باتری لیتیوم سلنیوم می‌رسد.

گوگرد ؛ جایگزین اول

یکی از گزینه‌های مطرح شده در آینده، باتری‌های لیتیوم-گوگرد (Li-S) می باشد.  این نوع باتری به دلیل فراوانی عنصر گوگرد در طبیعت ،ارزان بودن ،تراکم انرژی بالا (2600W/kg) و ظرفیت نظری بی‌نظیر (1675mAh/g) توجه زیادی را به خود جلب کرده است. با این حال مشکلاتی از قبیل هدایت الکتریکی بسیار پایین گوگرد و ظهور پدیده‌ی شاتل پلی سولفیدها در طی فرایند و در نتیجه کاهش عمر باتری، مانع بزرگی در مسیر کاربردی شدن این نوع باتری‌هاست.

سلنیوم ؛ جایگزین آخر

سلنیوم در جدول تناوبی در گروه گوگرد قرار دارد و دارای خواص شیمیایی مشابه با گوگرد است و ظرفیت حجمی نظری بالایی(3253mAh/cm-3) را ارائه می دهد. علاوه بر این رسانایی الکتریکی سلنیوم بسیار بالاتر از رسانایی گوگرد است.  لذا می‌تواند جایگزین مناسبی برای عنصر گوگرد در باتری‌ها باشد.

چالش باتری لیتیوم -سلنیوم با یک راه حل امیدوارکننده

با این حال توسعه عملی باتری‌های سلنیوم- لیتیوم (Li-Se) به دلیل فعالیت اندک واکنش سلنیوم با لیتیوم تغییرات حجم زیاد و کاهش سریع ظرفیت ناشی از اثر شاتل پلی سلنیدها با مانع مواجه شده است. در پژوهش های اخیر استفاده از نوعی سازه شیمیایی به عنوان کاتالیزور در فرایند واکنش کاتدی مورد بررسی قرار گرفته است که امیدوارکننده است.

به تازگی محققان برای اولین بار با استفاده از سنتز نوعی ماده کاتالیزور و اضافه نمودن آن به کاتد باتری و ایجاد یک کاتد کامپوزیتی کارایی باتری‌های Li-Se را افزایش دادند. پژوهشگران نشان دادند کاتالیزورهای اتمی منفرد می‌توانند درکاتد های لیتیوم-سلنیوم سرعت واکنش و عملکرد چرخه شارژ و تخلیه و طول عمر را تا حدود زیادی بهبود دهند.

این اتم‌های منفرد موجب می‌شود که سرعت فرایندهای شیمیایی به شدت بالا رود و باعث می‌شود که باتری ساخته شده توانایی تحویل جریان‌های بالا داشته باشد و باتری به عنوان یک باتری پرتوان به حساب آید. در طراحی باتری‌های پرتوان به این ویژگی بسیار اهمیت داده می‌شود و باید به ساختارهای هوشمند در طراحی الکترود توجه گردد.

پشت پرده چه می‌گذرد ؟

فرایند کلی این روش به این صورت است که :

1. عنصر کبالت و روی در نقش تسریع کننده واکنش های کاتدی ظاهر می شود. این عناصر در قالب چینشی هدفمند روی ماده زئولیت ایمیدازولات (ZIF) جای می‌گیرند.
2. سپس این ساختار روی کره های ریز از جنس پلی استایرن (PS) قرار می‌گیرند.

این نوع سازه شیمیایی برای عناصر کاتالیزور سطح تماس بالایی فراهم می‌کند که بازدهی بالایی را نیز در پی خواهد داشت.

علت را می‌توان اینطور توضیح داد که :

عناصر روی و کبالت که نقش کلیدی در فرایند دارند دراین ساختار به صورت اتم های جدا و منفرد حضور دارند.یعنی از تجمع توده‌ای آنها جلوگیری شده است .  در نتیجه به این ترتیب تک تک اتم ها می‌توانند در واکنش موثر باشند. در این شیوه میزان مصرف عنصر گران‌قیمت کبالت نیز بسیار کاهش یافته است . به عبارت دیگر یعنی کاهش هزینه تمام شده باتری ! به عبارت بهتر یعنی صرفه اقتصادی!

بر طبق داده های به دست آمده از آزمایش ها اثر شاتل پلی سلنیدها به خوبی کنترل شده است. داده‌ها از نتایج ایمن کار پژوهشی‌است :

• بعد از 5000 چرخه شارژ و دشارژ در دمای 50 درجه سانتی‌گراد، میزان فرسودگی و تخریب باتری مقدار 0.0067 درصد در هر چرخه محاسبه شده است .
• ظرفیت ویژه نیز پس از گذراندن 1700چرخه 457mAh/g به دست آمد .

این اعداد نشان دهنده عملکرد پایدار و عمرطولانی‌ این نوع از باتری است.