بطاريات المستقبل - كبريت الليثيوم بقشرة من الجرافين

تتمتع بطاريات الليثيوم والكبريت باهتمام تجاري كبير لأنها قد تولد قدرات طاقة أعلى بكثير من تلك المتوفرة اليوم في بطاريات أيونات الليثيوم

[ترجمة د.نحماني موشيه]
ما الذي تحصل عليه عندما تقوم بلف طبقة رقيقة من الجرافين "المادة العجيبة" حول قطب كبريتي مبتكر ثنائي الوظيفة يدمج وحدة تخزين الطاقة مع نظام نقل الشحنة الكهربائية؟ قطب واعد بشكل خاص لبطاريات الليثيوم والكبريت القابلة لإعادة الشحن.

تتمتع بطاريات الليثيوم والكبريت باهتمام تجاري كبير لأنها قد تولد قدرات طاقة أعلى بكثير من تلك المتوفرة اليوم في بطاريات أيونات الليثيوم. في ورقة بحثية منشورة منذ فترة طويلة في المجلة العلمية APL Materials، يصف فريق من الباحثين بقيادة الدكتور فاسانت كومار من جامعة كامبريدج والبروفيسور رينجي تشن من معهد بكين للتكنولوجيا تصميمهم لكاثود كبريت ثنائي الوظيفة على نطاق نانوي مصمم لتحسين مشاكل الأداء مثل انخفاض الكفاءة وتدهور القدرات.

حظيت الأطر المعدنية العضوية (MOFs) مؤخرًا بالكثير من الاهتمام بفضل استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل تخزين الهيدروجين، واحتجاز ثاني أكسيد الكربون، والتحفيز، وتطوير أغشية خاصة. ومن أجل تطوير الكاثود الخاص بهم، استخدم فريق البحث مثل هذا الهيكل كقالب لإنشاء قفص كربون مسامي موصل للكهرباء - وهو قفص حيث يتم استخدام الكبريت كمادة مضيفة ويتم استخدام كل جزيئات الكربون والكبريت كمصدر للطاقة. وحدة التخزين حيث تتم التفاعلات الكهروكيميائية.

يوضح أحد الباحثين: "تعمل سقالة الكربون لدينا كحاجز مادي يحيط بالمواد الفعالة داخل البنية المسامية". "يؤدي هذا التصميم إلى زيادة الاستقرار وزيادة كفاءة الأداء." واكتشف الباحثون أيضًا أن تغليف وحدة تخزين طاقة الكربون والكبريت بطبقة رقيقة من الجرافين المرن يسرع عملية نقل الإلكترونات والأيونات، أي يسرع معدل تدفق الكهرباء في الهيكل. ما هو أساس تحسين القدرة؟ ووفقا للباحثين، من الممكن إنشاء آليات حركية للنقل السريع للشحنات بمساعدة وصلة إلى شبكة الجرافين ذات الموصلية الكهربائية العالية. يثبت عمل الباحثين أن الهيكل المركب لسقالة مسامية متصلة بمواد موصلة للكهرباء يمكن أن يكون تصميمًا هيكليًا واعدًا للقطب الكهربائي الذي يمكن استخدامه في البطاريات القابلة لإعادة الشحن. ويشير الباحث الرئيسي إلى أن هذا العمل يوفر "نهجًا أساسيًا ومرنًا، لزيادة استخدام الكبريت وتحسين استقرار البطاريات". "إن تغيير وحدة التخزين أو الهيكل من خلال إدخال ذرات/ مواد أخرى (المنشطات)، أو من خلال إضافة طلاء بوليمر، يمكن أن يرفع مستوى الأداء إلى مستوى جديد تمامًا."

ومن الناحية التطبيقية، فإن التصميم الفريد والمبتكر للبطارية، الذي يجمع بين تخزين الطاقة واستقبال شبكة من الإلكترونات/الأيونات، يمهد الطريق لتطوير أنظمة تخزين الطاقة القائمة على تفاعلات كيميائية عالية الأداء، وهي تفاعلات لا تنطوي على تغيير هيكلي أو ذري للبنية البلورية الصلبة.

المقال كاملا