اسفنج گرافنی ظرفیت باطریهای لیتیم گوگردی را افزایش میدهد(دانشگاه چالمرز-2019)

ظرفیت باطریهای لیتیم گوگرد 5 برابر باطریهای لیتیم یون می­باشند که دانشمندان به تازگی با استفاده از گرافن ظرفیت این نوع از باطریها را افزایش داده اند.

طراحی دانشمندان برای باطری لیتیم گوگرد به گونه ای بوده که باعث شده تخلخل بالای گرافن موجب شود تا نقش کاتولیتی (قسمتی از الکترولیت که نزدیک به کاتد قرار دارد) گوگرد به خوبی ایفا شود. در این تحقیق دانشمندان ایروژل متخلخلی شبیه به اسفنج از گرافن تهیه کرده که نقش الکترود آزاد را در سلول الکتریکی ایفا کرده و باعث می­شود تا از گوگرد بهتر و بیشتر در باطری استفاده شود.

باطریهای معمول مورد استفاده از چهار قسمت تشکیل شده اند: قسمت اول دو الکترود پوشانده شده با ماده اکتیو بوده که به عنوان آند و کاتد شناخته می­شوند و در میان آنها الکترولیت وجود دارد که معمولا به صورت مایع است. الکترولیت به یونها اجازه می­دهد که در حهت عقب و جلو حرکت کنند و قسمت چهارم جدا کننده می­باشد که مانند مانع فیزیکی عمل کرده و مانع از تماس بین دو الکترود با حفظ شرایط عبور یونها می­شود.

محققان به تازگی کاتد و الکرترولیت را با یکدیگر ترکیب کرده و به صورت مایع مورد استفاده قرار داده اند که به آن "کاتولیت" می­گویند. این پدیده باعث کاهش وزن باطری و خصوصیات بهتر در شارژ شدن و انتقال جریان می­شود.

دانشمندان در یک محفظه باطری سکه ای لایه نازک از ایروژل گرافن قرار داده اند، و سپس کاتولیت با گوگرد بالا به آن اضافه کرده اند. لایه ایروژل متخلخل مانند لایه پشتیبان عمل کرده و مانند اسفنج محلول را در خود نگاه می­دارد. در این تحقیق ساختار متخلخل ایروژل گرافنی از اهمیت بالایی برخوردار می­باشد. این لایه مقادیر بالایی از الکترولیت را جذب کرده و با فراهم کردن مقدار زیادی گوگرد نقش کاتولیت را پررنگ تر می­کند. این نوع از کاتلویت نیمه مایع باعث می­شود تا گوگرد آزادانه مورد استفاده و بازیافت قرار گرفته و تلفاتی نداشته باشد. گوگرد حین حل شدن تلفاتی نخواهد داشت چون قبلا در محلول کاتلویت حل شده است.

بیشتر باطریهایی که امروز مورد استفاده قرار می­گیرند از گوشی تلفن همراه تا ماشین های الکتریکی، باطریهای لیتیم-یون هستند که با توجه به محدویت این باطریها در مقایسه با تکنولوژیهای جدید تر استفاده از باطریهای جدید تر الزامی می­باشد، لذا باطریهای لیتیم-گوگرد دارای مزایایی از جمله چگالی انرژی بالاتر در مقایسه با باطریهای لیتیم یون می­باشند. بهترین باطریهای لیتیم-یون در حال حاضر با ظرفیت 300 وات- ساعت بر کیلوگرم فعالیت می­کنند که حداکثر این مقدار به 350 میرسد اما باطریهای لیتیم-گوگرد چگالی انرژی تئوریکی در حدود 1000-1500 وات-ساعت بر کیلوگرم دارند. در وهله بعد گوگرد ارزان، فراوان و دوستدار محیط زیست بوده و این نوع باطریها نیازی به داشتن یون مضر فلئور ندارند که در باطریهای لیتیم-یون استفاده می­شود.

مشکل باطریهای لیتیم- گوگرد تا حدی به ناپایداری و در نتیجه عمر چرخه ای کم آنها باز می­گردد که در باطریهای موجود از این نوع اگرچه میزان انرژی بالایی تولید می­شود اما عمر چرخه ای پایین می­باشد. اما دانشمدان دانشگاه پالمرز توانسته اند در نوع جدید این باطریها 85% ظرفیت اولیه را بعد از 350 سیکل حفظ نمایند . در طراحی جدید این نوع از باطریها از دو مشکل جلوگیری شده است که یکی حل شدن گوگرد در الکترولیت و از دست رفتن آن و دیگری مهاجرت گوگرد از کاتد به آند می­باشد.