بطاريات الليثيوم والكبريت ومشاكل تقنية .. العلم يقول كلمته

قام باحثون من جامعة طوكيو للعلوم بتطوير فاصل جرافين مدمج مع مجموعات ‏نانوية من الذهب المطلي بالبلاتينيوم لبطاريات الليثيوم والكبريت. وتواجه ‏بطاريات الليثيوم والكبريت مشكلات مثل تكوين كبريتيدات الليثيوم وتشعبات ‏الليثيوم التي تؤدي إلى فقدان القدرة وتثير مخاوف تتعلق بالسلامة.‏

ومع ذلك، توفر بطاريات الليثيوم والكبريت (‏LSBs‏) إمكانية تخزين طاقة أعلى ‏ومع الفاصل الجديد عززت نقل أيونات الليثيوم وتسهيل تفاعلات الأكسدة ‏والاختزال. يعالج هذا الاختراق القضايا طويلة الأمد المرتبطة بـ ‏LSBs، مما يمهد ‏الطريق لتسويقها.

زيتزايد الطلب على أنظمة تخزين الطاقة الفعالة باستمرار، خاصة بسبب ظهور ‏الطاقة المتجددة المتقطعة مؤخرًا واعتماد المركبات الكهربائية. وفي هذا الصدد، ‏ظهرت بطاريات الليثيوم والكبريت (‏LSBs‏)، التي يمكنها تخزين طاقة أكثر بثلاث ‏إلى خمس مرات من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، كحل يبعث على الأمل.‏

تستخدم البطاريات ‏LSB‏ الليثيوم كالأنود والكبريت كالكاثود، لكن هذا المزيج يطرح ‏تحديات.‏

إحدى القضايا المهمة هي "تأثير المكوك"، حيث تنتقل أنواع بولي كبريتيد الليثيوم ‏الوسيطة (‏LiPS‏) التي تتشكل أثناء ركوب الدراجات بين الأنود والكاثود، مما يؤدي ‏إلى تلاشي القدرة، وانخفاض دورة الحياة، وضعف معدل الأداء.‏

وتشمل المشاكل الأخرى تمدد كاثود الكبريت أثناء امتصاص أيون الليثيوم وتكوين ‏أنواع كبريت الليثيوم العازلة وتشعبات الليثيوم أثناء تشغيل البطارية.‏

وفي حين تم استخدام استراتيجيات مختلفة، مثل مركبات الكاثود، والمواد المضافة ‏بالكهرباء، والكهارل ذات الحالة الصلبة، لمواجهة هذه التحديات، فإنها تنطوي على ‏مقايضات واعتبارات تحد من مواصلة تطوير ‏LSBs‏.‏

وفي الآونة الأخيرة، حظيت العناقيد المعدنية النانوية الدقيقة ذريًا، وهي مجاميع من ‏ذرات معدنية يتراوح حجمها بين 1-3 نانومتر، باهتمام كبير في أبحاث المواد، بما ‏في ذلك الأبحاث المتعلقة بالـ ‏LSBs، نظرًا لقابليتها العالية للتصميم بالإضافة إلى ‏هياكلها الهندسية والإلكترونية الفريدة. ‏‎

ومع ذلك، في حين تم اقتراح العديد من التطبيقات المناسبة للعناقيد المعدنية ‏النانوية، لا توجد حتى الآن أمثلة لتطبيقاتها العملية.‏

نُشرت أحدث دراسة تعاونية في مجلة ‏Small، حيث قام فريق من الباحثين من ‏اليابان والصين، بقيادة البروفيسور يويتشي نيجيشي من جامعة طوكيو للعلوم ‏‏(‏TUS‏)، بتسخير خاصية الارتباط السطحي ونشاط الأكسدة والاختزال التجمعات ‏النانوية المصنوعة من الذهب (‏Au‏) المطلية بالبلاتينيوم، ‏Au24Pt(PET)18 ‎‎(PET‎‏: فينيل ثانيثيولات، ‏SCH2CH2Ph‏)، كمحفز كهربائي عالي الكفاءة في ‏LSBs‏.‏

وأعد الباحثون مركبات من صفائح نانوية ‏Au24Pt(PET)18‎‏ وجرافين (‏G‏) ذات ‏مساحة سطح محددة كبيرة، ومسامية عالية، وشبكة موصلة، واستخدموها لتطوير ‏فاصل بطارية يعمل على تسريع الحركية الكهروكيميائية في ‏تلك البطاريات.

‎
وأشار البروفيسور نيجيشي إلى أن "وحدات ‏LSBs‏ التي تم تجميعها باستخدام ‏الفاصل القائم على ‏Au24Pt(PET)18@G‏ أوقفت ‏LiPSs، ومنعت تكوين تشعبات ‏الليثيوم، وحسنت استخدام الكبريت، مما يدل على قدرة ممتازة واستقرار ركوب ‏الدراجات."‏

وأظهرت البطارية قدرة محددة عالية قابلة للعكس تبلغ 1535.4 مللي أمبير في ‏الساعة ‏g−1‎‏ للدورة الأولى عند 0.2 ‏A g−1‎‏ وقدرة معدل استثنائية تبلغ 887 مللي ‏أمبير في الساعة ‏g−1‎‏ عند 5 ‏A g−1‎‏. بالإضافة إلى ذلك، كانت السعة التي تم ‏الاحتفاظ بها بعد 1000 دورة عند 5 ‏A g−1‎‏ هي 558.5 ‏mA h g−1‎‏.‏

تسلط هذه النتائج الضوء على مزايا استخدام العناقيد المعدنية النانوية في ‏LSBs، ‏وهي تشمل كثافة طاقة محسنة، ودورة حياة أطول، وميزات أمان محسنة، وتقليل ‏التأثير البيئي للوحدات الصغيرة الأقل، مما يجعلها أكثر صداقة للبيئة وتنافسية مع ‏تقنيات تخزين الطاقة الأخرى.‏

‏"قد تجد ‏LSBs‏ التي تحتوي على مجموعات نانوية معدنية تطبيقات في المركبات ‏الكهربائية والإلكترونيات المحمولة وتخزين الطاقة المتجددة وغيرها من الصناعات ‏التي تتطلب حلولًا متقدمة لتخزين الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع أن تمهد ‏هذه الدراسة الطريق لجميع أجهزة ‏LSB‏ ذات الحالة الصلبة مع المزيد من الوظائف ‏الجديدة. وفي المستقبل القريب، يمكن أن تؤدي التكنولوجيا المقترحة إلى أجهزة ‏تخزين طاقة فعالة من حيث التكلفة وطويلة الأمد. وهذا من شأنه أن يساعد في ‏تقليل انبعاثات الكربون ودعم اعتماد الطاقة المتجددة وتعزيز الاستدامة.

يعتقد بعض الناس أن كيمياء الليثيوم والكبريت هي حل واعد جدًا للبطارية. ربما ‏في يوم من الأيام، ولكن في الحقيقة، حتى مع إمكانية زيادة القدرة بنسبة 300% ‏إلى 500%، فإن العديد من الكيمياء هي أقرب بكثير إلى التطبيق العملي التجاري.‏

هذه القدرة النظرية هي حافز أكيد. لذا فإن هذه الكيمياء ستحظى بمزيد من الاهتمام ‏وقد يكون هناك حل لمشاكل متعددة. ثم هناك القليل من القلق بشأن الأشياء المبنية ‏من الذهب المطلي بالبلاتين. تلميحات ليست منخفضة التكلفة.‏