في أواخر يوليو 2008 ، طارت طائرة شمسية بريطانية لمدة ثلاثة أيام على علو شاهق ، مما خلق رقمًا قياسيًا غير قابل للتحمل في رحلات الطيران ، وربما لم يُعرف سوى القليل ، فقد أصبحت بطاريات الليثيوم-الكبريت (Li-S) أكبر تقدم تكنولوجي في مكوناتها. واحد ، فهو يعمل على تشغيل الطائرات ليلاً ، وكفاءتها لا تضاهى حتى في الجزء العلوي من البطارية.
الطائرات الشمسية Zephyr S (صورة من الشبكة) بعد عشر سنوات ، يبدو أن العالم في انتظار التسويق التجاري لبطاريات Li-S ، وقد أدى اختراق الباحثين في جامعة Drexel إلى القضاء على العقبات الضخمة التي تحول دون بقائها.
لقد تعلمت شركات التكنولوجيا حقيقة أن تطوير أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة والمركبات الكهربائية يعتمد على تحسن مطرد في أداء البطارية ، ولا يمكن دفع التكنولوجيا إلا إذا سمحت بها البطارية ، وتعتبر بطاريات Lithium-ion حاليًا هو أفضل بطارية في السوق - هو الوصول إلى الحد من التحسن.
ومع اقتراب أداء البطارية من الثبات ، تحاول بعض الشركات تقليل حجم المكونات الداخلية التي لا تساهم في تخزين الطاقة عن طريق الضغط ، من أجل توصيل الفولت الأخير إلى جهاز التخزين ، وقد يكون لهذه التغييرات الهيكلية بعض الآثار الجانبية المؤسفة. على سبيل المثال ، وقعت سلسلة من حوادث الانفجار في هواتف Samsung المحمولة في عام 2016.
الهاتف المحمول سامسونج بعد انفجار البطارية (صورة من الشبكة) يبحث الباحثون وشركات التكنولوجيا كيف ستحل بطاريات الليثيوم-الكبريت (Li-S) في نهاية الأمر محل بطاريات أيونات الليثيوم ، لأن هذا التفاعل الكيميائي الجديد يضع نظريًا طاقة أكبر في بطارية واحدة - وهو مقياس وتسمى هذه الكثافة كثافة الطاقة في تطوير البطارية ، حيث يحقق هذا التحسن حوالي 5 إلى 10 أضعاف قدرة بطارية أيونات الليثيوم ، وهو ما يعادل وقت تشغيل أطول للبطارية بين هذه الشحنة والشحنة التالية.
تكمن المشكلة في أن بطارية Li-S لا يمكن أن تستمر في الحفاظ على قدرتها الفائقة بعد اكتمال الشحنات القليلة الأولى ، وتبين أن الكبريت ، كعنصر أساسي في زيادة كثافة الطاقة ، سيكون على شكل وسيط من "polysulfide" من القطب. الهجرة ، مما يؤدي إلى فقدان هذا المكون الرئيسي وتدهور الأداء أثناء إعادة الشحن.
يحاول العلماء تحقيق الاستقرار في تفاعلات polysulfide هذه داخل بطاريات Li-S لسنوات ، لكن معظم المحاولات لها مضاعفات أخرى ، مثل إضافة الوزن إلى البطاريات ، أو تتطلب مواد باهظة الثمن أو إضافة العديد من خطوات المعالجة المعقدة. ولكن الآن قد ولدت طريقة جديدة.دراسة من قبل كلية الهندسة Drexels في العدد الأخير من مجلة الكيمياء التطبيقية والواجهات في الجمعية الكيميائية الأمريكية بعنوان "ألياف التيتانيوم ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO) باسم لي تقرير عن مثبتات polysulfide في البطاريات -S: دليل على تفاعلات حمض قاعدة لويس ، مما يشير إلى أنه يمكن أن يحمل polysulfides في مكانه ، والحفاظ على التحمل المثير للإعجاب لهذه الخلايا مع تقليل الوزن الكلي وإنتاجها الوقت المطلوب.
لقد خلقنا طليق أكسيد التيتانيوم مسامية نانوفبر حصيرة وقالت الدكتورة فيبها كالرا: "كمواد الكاثود في بطاريات الليثيوم - الكبريت ، فهو أستاذ مساعد في كلية الهندسة ، وهو مؤلف البحث الرئيسي. وهذا تطور كبير لأننا وجدنا أن كاثود التيتانيوم-الكبريت لدينا يتمتع بدرجة عالية من التوصيلية. قادرة على الجمع بين polysulfide من خلال تفاعلات كيميائية قوية ، مما يعني أنها يمكن أن تعزز القدرة المحددة للبطارية مع الحفاظ على أدائها المثير للإعجاب.كما يمكننا أن نثبت أن هذا يمكن القضاء تماما على الموثق وتعيين على جانب الكاثود. الأجهزة الكهربائية ، التي تمثل 30-50 ٪ من وزن القطب الكهربائي - تستغرق طريقتنا بضع ثوان فقط لتشكيل كاثود الكبريت ، وقد يستغرق المعيار الحالي ما يصل إلى نصف يوم.
تظهر نتائجهم أن حصيرة النانو متشابهة مع العش على المستوى المجهري ، وهي عبارة عن منصة ممتازة لكاثود الكبريت ، حيث يمكنها جذب وكشف polysulfide التي تنتجها البطارية ، والمحافظة على polysulfide في بنية الكاثود تمنع المكوك. هذا هو تدهور الأداء الذي يحدث عندما يتم تذويبها في محلول الإلكتروليت حيث يتم فصل الكاثود والأنود عن البطارية.
ووفقًا لكالرا ، فإن تصميم الكاثود هذا لا يساعد بطارية Li-S في الحفاظ على كثافة طاقتها فحسب ، بل يحقق أيضًا ذلك دون إضافة مواد إضافية تؤدي إلى زيادة الوزن وتكاليف الإنتاج.
لتحقيق هذه الأهداف المزدوجة ، أجرى الفريق دراسة متعمقة لهذا ، بما في ذلك آليات التفاعل وتشكيل polysulfide من أجل فهم أفضل لكيفية مساعدة المواد المضيفة للكهرباء.
تظهر هذه الدراسة أن هناك تفاعل قوي لقاعدة حمض لويس بين أكسيد التيتانيوم والكبريت في الكاثود ، مما يمنع polysulfide من دخول الكهارل ، وهو السبب الرئيسي في انخفاض أداء البطاريات.واحد من المؤلفين ، مختبر كالراس وقال الدكتور أرفيندر سينغ ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه.
وهذا يعني أن تصميم الكاثود الخاص بهم يمكن أن يساعد خلايا Li-S في الحفاظ على كثافة طاقتها - وبدون مواد إضافية لزيادة الوزن وتكاليف الإنتاج ، يوضح بحث Kalra السابق على الأقطاب النانوية أن لها مزايا متعددة. مجموعة بطاريات التيار الزائد: تحتوي على مساحة أكبر من السطح الكهربائي الحالي ، مما يعني أنها يمكن أن تستوعب التوسعة أثناء الشحن ، مما يزيد من سعة تخزين البطارية ، ومن خلال ملء هلام الإلكتروليت ، فإنها تقضي على المكونات القابلة للاشتعال في الجهاز. لتقليل حساسيتها تجاه التسرب والحرائق والانفجارات.
يتم إنشاؤها بواسطة عملية electrospinning التي تبدو مثل صنع أعشاب من الفصيلة الخبازية ، مما يعني أنها تتمتع بميزة على الأقطاب الكهربائية القياسية القائمة على المسحوق ، والتي تتطلب العزل والمواد الكيميائية اللاصقة التي يمكن أن تحط من الأداء أثناء الإنتاج. .
إنشاء electrospinning عملية ، يبدو وكأنه صنع أعشاب من الفصيلة الخبازية. (صورة من الويب) من أجل إنتاج منصة كاثود مستقلة خالية من الموثق لتحسين أداء البطارية ، قامت شركة Kalras Labs بتطوير تقنية ترسيب الكبريت السريعة التي تضيف الكبريت إلى الركيزة في خمس ثوان فقط.
"هذا البرنامج يذوب الكبريت في حصائر من ألياف النانو في بيئة ضغط خفيفة من 140 درجة مئوية - دون معالجة تستغرق وقتا طويلا أو استخدام المواد الكيميائية السامة المختلطة ، مع تحسين فعالية الكاثود بعد الاستعمال لفترة طويلة. وقال كالرا "إن القطب الكهربائي S يوفر البنية الصحيحة" ، مما يقلل من تدهور السعة أثناء تدوير البطارية ، وهو أحد العقبات الرئيسية أمام تسويق بطاريات Li-S. "
"تظهر أبحاثنا أن السعة الفعالة المستمرة لهذه الأقطاب هي أربعة أضعاف قدرة بطاريات أيونات الليثيوم الحالية. إن طريقتنا الجديدة منخفضة التكلفة يمكن أن تنتج كاثود كبريتيد في ثوانٍ ، مما يزيل عوائق التصنيع الرئيسية."
سواء كان جهاز كمبيوتر محمول، والهاتف المحمول أو تطوير السيارة الكهربائية، يعتمد أداء البطارية على تحسن مطرد من دفع التكنولوجيا إلى الأمام سمح فقط في حالة البطارية، وبطاريات ليثيوم أيون - أنه يعتبر الآن أفضل البطاريات في السوق - و تحقيق الحد المعزز. (صورة من الشبكة) منذ عام 2008 زفير-6S سجل الرحلة تعمل بالطاقة الشمسية طائرات، وقد استثمرت العديد من الشركات في تطوير ليثيوم S البطارية، وترغب في زيادة عمر البطارية من السيارات الكهربائية المختلفة، والأجهزة النقالة تستمر لفترة أطول بين التهم، وحتى تساعد الطاقة بأكملها شبكة لاستيعاب الرياح المتقطعة والطاقة الشمسية. العمل Kalras يمكن أن توفر الآن وسيلة لكسر سلسلة من العقبات التي تحول دون تطوير هذه التكنولوجيا البطارية.
سيستمر الفريق في تطوير الكاثود Li-S بهدف زيادة تحسين دورة الحياة ، مما يقلل من تشكيل polysulfide وخفض التكاليف.
