"البطاريات القابلة لإعادة الشحن: تقدم جديد في تكنولوجيا الليثيوم-كبريت مع أقطاب محسّنة"

البطاريات القابلة لإعادة الشحن: تحسينات جديدة في بطاريات الليثيوم-كبريت

تعد البطاريات القابلة لإعادة الشحن حجر الزاوية في تشغيل الأجهزة المحمولة، مثل الألعاب والمكانس الكهربائية والدراجات الإلكترونية. في الغالب، تعتمد هذه البطاريات على تكنولوجيا الليثيوم-أيون. لكن، تواجه هذه البطاريات تحديات تتعلق بعمرها القصير ومخاطر الاشتعال عند تعرضها للتلف. لمواجهة مشكلات الاستقرار والسلامة، قدم الباحثون في دراسة نُشرت في مجلة ACS Energy Letters تطويراً لبطارية ليثيوم-كبريت (Li-S) باستخدام قطب كهربائي محسن من كبريتيد الحديد.

تحسين الاستقرار والأداء

أحد النماذج الأولية للبطارية الجديدة يظهر استقراراً ملحوظاً حتى بعد 300 دورة شحن وتفريغ، بينما يظل نموذج آخر يوفر الطاقة حتى بعد طيّه أو قصّه. وقد تم اقتراح استخدام الكبريت كبديل في بطاريات الليثيوم-أيون بسبب تكلفته المنخفضة وقدرته على تخزين الطاقة بشكل أكبر من أكاسيد الليثيوم والمواد الأخرى المستخدمة في البطاريات التقليدية.

معالجة مشكلات التآكل

في السابق، اقترح الباحثون استخدام إلكتروليت قائم على الكربونات لتحسين استقرار بطاريات Li-S عند درجات حرارة مرتفعة. ومع ذلك، يؤدي ذوبان الكبريتيد من القطب الكهربائي في الإلكتروليت إلى تكوين راسب غير قابل للاختراق، مما يسبب فقداناً سريعاً في سعة البطارية. تساءل ليبينغ وانغ وزملاؤه عما إذا كان من الممكن إضافة طبقة بين القطب الكهربائي والإلكتروليت لتقليل هذا التآكل دون التأثير على وظائف البطارية وقابليتها للشحن.

ابتكار الطلاء البوليمري

قام الفريق بتغطية أقطاب كهربائية من كبريتيد الحديد بأنواع مختلفة من البوليمرات، ووجدوا أن حمض البوليمر الأكريليك (PAA) كان الأنسب، حيث احتفظ بسعة تفريغ القطب الكهربائي بعد 300 دورة شحن وتفريغ. دمج الباحثون قطباً كهربائياً مغطى بـ PAA في تصميم نموذج أولي للبطارية، والذي شمل أيضاً إلكتروليتاً قائماً على الكربونات، ورقائق معدن الليثيوم كمصدر للأيونات، وقطباً كهربائياً من الجرافيت. ثم قاموا بإنتاج واختبار نماذج أولية لكل من البطاريات الخلوية الكيسية والخلوية المعدنية.

نتائج الاختبارات والتطبيقات

بعد أكثر من 100 دورة شحن وتفريغ، لم يلاحظ وانغ وزملاؤه أي تآكل كبير في سعة الخلية الكيسية. كما أظهرت التجارب الإضافية أن الخلية الكيسية ظلت تعمل بعد طيّها وقطعها إلى نصفين. احتفظت الخلية المعدنية بـ 72% من سعتها بعد 300 دورة شحن وتفريغ. بعد ذلك، طبق الباحثون الطلاء البوليمري على الأقطاب الكهربائية المصنوعة من معادن أخرى، مما أدى إلى إنشاء بطاريات ليثيوم-موليبدينوم وليثيوم-فاناديوم. هذه الخلايا الجديدة أيضاً حافظت على سعتها المستقرة على مدى 300 دورة شحن وتفريغ.

تشير النتائج إلى أن الأقطاب الكهربائية المطلية يمكن أن تساهم في إنتاج بطاريات Li-S أكثر أماناً بعمر طويل، بالإضافة إلى فعالية أعلى مع الكبريتيدات المعدنية الأخرى، وفقاً لفريق وانغ.