افزایش پایداری باتری ها با یک روش جدید

محققان دانشگاه علوم توکیو (TUS) به پیشرفت قابل توجهی در ذخیره سازی انرژی در باتری ها دست یافته اند.

به گزارش تکناک، آنها از نانوخوشه های فلزی برای غلبه بر چالش های پیش روی باتری های لیتیوم-گوگرد (LSB) استفاده کرده اند که نویدبخش آینده ای پایدارتر و کارآمدتر است.

تقاضا برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی کارآمد همیشه در حال افزایش است که عمدتاً به دلیل ظهور اخیر انرژی‌های تجدیدپذیر متناوب و استفاده از وسایل نقلیه الکتریکی است. باتری‌ های لیتیوم سولفور (LSB) که می‌توانند سه تا پنج برابر بیشتر از باتری‌های لیتیوم یون سنتی انرژی ذخیره کنند، به عنوان یک راه‌حل امیدوارکننده ظاهر شده‌اند.

اثر شاتل

LSB ها از لیتیوم به عنوان آند و گوگرد به عنوان کاتد استفاده می کنند، اما این ترکیب چالش هایی را ایجاد می کند. یکی از مسائل مهم «اثر شاتل» است که در آن گونه‌های پلی سولفید لیتیوم میانی (LiPS) که در طول سیکل شارژ تشکیل می‌شوند، بین آند و کاتد مهاجرت می‌کنند، که منجر به محو شدن ظرفیت، چرخه عمر پایین و عملکرد ضعیف می‌شود. مشکلات دیگر عبارتند از انبساط کاتد گوگرد در طول جذب لیتیوم-یون و تشکیل قسمت های لیتیوم-گوگرد عایق و دندریت های لیتیوم در حین کار با باتری (battery : assembly of one or more electrochemical cells, used to provide devices with stored electrical energy) است. در حالی که استراتژی‌های مختلفی مانند کامپوزیت‌های کاتدی، افزودنی‌های الکترولیت، و الکترولیت‌های حالت جامد، برای رفع این چالش‌ها به کار گرفته شده‌اند، آنها شامل مبادلات و ملاحظاتی هستند که توسعه بیشتر LSBs را محدود می‌کند.

اخیراً، نانوخوشه‌های فلزی دقیق اتمی، توده‌های اتم‌های فلزی با اندازه‌های 1 تا 3 نانومتر، به دلیل قابلیت طراحی بالا و ساختارهای هندسی و الکترونیکی منحصربه‌فرد، توجه قابل‌توجهی را در تحقیقات مواد، از جمله بر روی LSB‌ها، به خود جلب کرده‌اند. با این حال، در حالی که بسیاری از کاربردهای مناسب برای نانو خوشه های فلزی پیشنهاد شده است، هنوز نمونه ای از کاربردهای عملی آنها وجود ندارد.

تحقیقات جدید نوآورانه بر باتری ها

اکنون، در آخرین مطالعه مشترک منتشر شده در مجله Small در 25 آگوست 2023، تیمی از محققان ژاپنی و چینی به سرپرستی پروفسور یویچی نگیشی از دانشگاه علوم توکیو (TUS)، از خاصیت اتصال سطحی و فعالیت ردوکس نانوخوشه‌های طلای آغشته به پلاتین (Pt) Au24Pt (PET) 18 (PET: فنیل اتانتیولات، SCH2CH2Ph) به عنوان یک الکتروکاتالیست با راندمان بالا در LSB استفاده کرده است.

محققان کامپوزیت هایی از نانوصفحات Au24Pt (PET) 18 و گرافن (G) با سطح ویژه بزرگ، تخلخل بالا و شبکه رسانا تهیه کردند و از آنها برای ایجاد جداکننده باتری استفاده کردند که سینتیک الکتروشیمیایی را در LSB تسریع می کند. LSB ها با استفاده از جداکننده مبتنی بر Au24Pt(PET)18@G مونتاژ شدند. این شرایط از تشکیل دندریت های لیتیوم جلوگیری کرد و استفاده از گوگرد را بهبود بخشید و ظرفیت عالی و پایداری سیکل شارژ را نشان داد.

باتری ظرفیت ویژه معکوس بالای g−1 mA h 1535.4 را برای اولین چرخه در A g-1 0.2 نشان داد. علاوه بر این، ظرفیت حفظ شده پس از 1000 چرخه در  A g−1 5 به مقدار mA h g−1 558.5  بود.

این نتایج مزایای استفاده از نانوخوشه های فلزی در LSB ها را برجسته می کند. آنها شامل بهبود تراکم انرژی، عمر چرخه طولانی تر، ویژگی های ایمنی افزایش یافته و کاهش اثرات زیست محیطی LSB ها هستند که آنها را دوستدار محیط زیست و قابل رقابت با سایر فناوری های ذخیره انرژی می کند.

پروفسور نگیشی می گوید: با نانو خوشه‌های فلزی ممکن است در وسایل نقلیه الکتریکی، الکترونیک قابل حمل، ذخیره‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر و سایر صنایعی که به راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی پیشرفته نیاز دارند، کاربرد داشته باشند. علاوه بر این، انتظار می رود این مطالعه راه را برای LSB های تمام حالت جامد با عملکردهای جدیدتر هموار کند.

در آینده نزدیک، فناوری پیشنهادی می‌تواند به دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی مقرون‌به‌صرفه و بادوام‌تر منجر شود. این امر به کاهش انتشار کربن و حمایت از پذیرش انرژی های تجدیدپذیر و ارتقای پایداری کمک می کند.

این مطالعه در مجله Wiley منتشر شد.