الإسفنج الجرافين يساعد بطاريات ليثيوم الكبريت على الوصول إلى إمكانات جديدة

2019-06-12 14:14:02

من أجل تلبية متطلبات المستقبل الكهربائي ، ستكون تقنيات البطاريات الجديدة ضرورية. أحد الخيارات هو بطاريات الكبريت الليثيوم ، التي توفر كثافة طاقة نظرية أكثر من خمسة أضعاف كثافة بطاريات أيونات الليثيوم. كشف باحثون في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا ، السويد ، مؤخرًا عن اختراقة واعدة لهذا النوع من البطاريات ، باستخدام الكاثولايت بمساعدة إسفنجة الجرافين.

الفكرة الجديدة للباحثين هي الهلام المسامي الشبيه بالإسفنج ، والمصنوع من أكسيد الجرافين المنخفض ، والذي يعمل كقطب قائم بذاته في خلية البطارية ويسمح باستخدام أفضل وأعلى للكبريت.

تتكون البطارية التقليدية من أربعة أجزاء. أولاً ، هناك قطبين داعمين مطليين بمادة فعالة ، تُعرف باسم الأنود والكاثود. فيما بينها إلكتروليت ، بشكل عام سائل ، يسمح بنقل الأيونات ذهابا وإيابا. المكون الرابع هو فاصل يعمل كحاجز مادي يمنع الاتصال بين القطبين بينما يسمح بنقل الأيونات.

جرب الباحثون سابقًا دمج الكاثود والكهارل في سائل واحد ، يسمى "الكاثوليتي". يمكن أن يساعد المفهوم في توفير الوزن في البطارية ، بالإضافة إلى توفير شحن أسرع وقدرات طاقة أفضل. الآن ، مع تطور airgel الجرافين ، أثبت المفهوم أنه قابل للتطبيق ، حيث يقدم بعض النتائج الواعدة للغاية.

أخذ الباحثون حالة بطارية قياسية للخلية المصغرة ، أدرج الباحثون أولاً طبقة رقيقة من الهوائي الهوائي المسامي.

تقول كارمن كافالو ، من قسم الفيزياء في تشالمرز ، وباحث رئيسي في الدراسة. ثم يضاف إلى البطارية محلول غني بالكبريت - الكاثوليت. يعمل الهلام الهوائي المسامي للغاية كدعم ، يمتص المحلول مثل الإسفنجة.

"إن البنية المسامية للهواء الجرافين أمر أساسي. فهي تمتص كمية عالية من الكاثوليت ، مما يمنحك كمية عالية من الكبريت لتحميل فكرة الكاتولايت جديرة بالاهتمام. هذا النوع من الكاثوليت شبه السائل ضروري هنا. إنه يسمح للكبريت للتدوير ذهابًا وإيابًا دون أي خسائر. لا تضيع من خلال الذوبان - لأنها مذابة بالفعل في محلول الكاثوليتيات ، "تقول كارمن كافالو.

يتم تطبيق بعض محلول الكاثوليت على الفاصل أيضًا ، حتى يتمكن من أداء دوره المنحل بالكهرباء. يؤدي ذلك أيضًا إلى زيادة محتوى الكبريت في البطارية.

معظم البطاريات المستخدمة حاليًا ، في كل شيء من الهواتف المحمولة إلى السيارات الكهربائية ، هي بطاريات ليثيوم أيون. لكن هذا النوع من البطاريات يقترب من حدوده ، لذا أصبحت الكيميائيات الجديدة ضرورية للتطبيقات التي تتطلب متطلبات طاقة أعلى. توفر بطاريات الكبريت الليثيوم العديد من المزايا ، بما في ذلك كثافة طاقة أعلى بكثير. تعمل أفضل بطاريات أيونات الليثيوم الموجودة حاليًا في السوق بحوالي 300 واط / ساعة لكل كيلوغرام ، بحد أقصى نظري يبلغ حوالي 350. وفي الوقت نفسه ، تحتوي بطاريات الليثيوم كبريت على كثافة طاقة نظرية تبلغ حوالي 1000-1500 واط / ساعة لكل كيلوغرام.

يقول ألكسندر ماتيك ، أستاذ في تشالمرز: "علاوة على ذلك ، الكبريت رخيص ، وفير للغاية ، وأكثر ملاءمة للبيئة. تتميز بطاريات الكبريت الليثيوم أيضًا بميزة عدم الحاجة إلى احتواء أي فلور ضار بالبيئة ، كما هو شائع في بطاريات أيونات الليثيوم". قسم الفيزياء الذي يقود مجموعة البحث خلف الورقة.

كانت المشكلة في بطاريات الكبريت الليثيوم حتى الآن هي عدم استقرارها ، وبالتالي انخفاض دورة الحياة. تتدهور الإصدارات الحالية بسرعة ولها عمر محدود مع عدد قليل من الدورات بشكل غير عملي. ولكن في اختبار النموذج الأولي الجديد ، أظهر باحثو تشالمرز الاحتفاظ بسعة 85٪ بعد 350 دورة.

يتجنب التصميم الجديد المشكلتين الرئيسيتين في تحلل بطاريات كبريت الليثيوم - واحدة ، يذوب الكبريت في المنحل بالكهرباء ويفقد ، واثنان ، `` تأثير المكوك '' ، حيث تنتقل جزيئات الكبريت من الكاثود إلى الأنود. في هذا التصميم ، يمكن تقليل هذه المشكلات غير المرغوب فيها بشكل كبير.

اقرأ مقالة "Airgel أكسيد الجرافين المنخفض المستقل بذاته كقطب داعم في بطارية Li2S8 catholyte Li-S الخالية من الفلور" المنشورة في مجلة مصادر الطاقة.

رحلة طويلة للإمكانيات التجارية

ومع ذلك ، لاحظ الباحثون أنه لا تزال هناك رحلة طويلة قبل أن تتمكن التكنولوجيا من تحقيق إمكانات السوق الكاملة. يقول ألكسندر ماتيك: "نظرًا لأن هذه البطاريات يتم إنتاجها بطريقة بديلة من معظم البطاريات العادية ، فسوف يتعين تطوير عمليات تصنيع جديدة لجعلها قابلة للتطبيق تجاريًا".

المزيد عن مختبرات تشالمرز المستخدمة في هذا البحث

درس الباحثون هيكل الهوائي الجرافين في مختبر تشالمرز لتحليل المواد (CMAL). CMAL لديها أدوات متقدمة للبحوث المادية. المختبر ينتمي رسميًا إلى قسم الفيزياء ، لكنه مفتوح لجميع الباحثين من الجامعات والمعاهد والصناعة. تم إجراء التجارب في هذه الدراسة باستخدام المجاهر الإلكترونية المتقدمة وذات الدقة العالية.

تم إجراء استثمارات كبيرة ، يبلغ مجموعها حوالي 66 مليون كرونة سويدية في الآونة الأخيرة لدفع CMAL إلى صدارة البحوث المادية.

تضمنت الاستثمارات شراء انحراف مزدوج أحادي اللون مصحح (صورة CETCOR ومسبار ASCOR Cs مصحح) TEM JEOLARM (200 كيلو فولت) 40-200 ، مزود ببندقية انبعاث ميداني (FEG). كانت هذه هي الورقة الأولى التي تم نشرها باستخدام هذا المجهر الجديد تمامًا ، والذي تم استخدامه لفحص بنية الهوائي الهوائي.

سيتم افتتاح المجهر الجديد ، الذي يزن وزن فيل كامل النمو ، رسميًا في 15 مايو في حفل في تشالمرز.

ساهمت مؤسسة Knut and Alice Wallenberg بنحو نصف الاستثمارات.