ساخت نسل جدید باتری های لیتیوم گوگردی و پایان عصر لیتیوم یونی

برخلاف باتری‌های لیتیوم یونی (LIB) که از نیکل، کبالت و سایر عناصر خاکی کمیاب گران‌قیمت به عنوان مواد کاتدی استفاده می‌کنند، باتری لیتیوم-گوگرد از گوگرد استفاده می‌کند که یکی از فراوان‌ترین عناصر است که به کاهش قابل توجه هزینه‌های ساخت آن کمک می‌کند. باتری لیتیوم-گوگرد به عنوان یک نامزد امیدوارکننده برای باتری های نسل بعدی در نظر گرفته می شود زیرا از نظر تئوری می تواند چگالی انرژی خاصی را نشان دهد که تقریباً 5 برابر بیشتر از LIB ها است.

با این حال، چندین چالش برای تجاری سازی باتری لیتیوم-گوگرد وجود دارد. هنگامی که لیتیوم در طی فرآیند شارژ/تخلیه با گوگرد ملاقات می کند، به اصطلاح "لیتیوم پلی سولفید" به عنوان یک محصول میانی تولید می شود. به دلیل حلالیت بالای آن، منجر به پدیده شاتل پلی سولفیدهای لیتیوم محلول می شود و در نتیجه مواد کاتدی با بار/دشارژ مکرر از بین می روند. یعنی به معنای از دست دادن گوگرد با ادامه حل شدن در الکترولیت است. بنابراین، شاتل پلی سولفید به عنوان بزرگترین مانع برای تجاری سازی باتری لیتیوم-گوگرد در نظر گرفته می شود، زیرا این مشکل به طور مستقیم با طول عمر و تخریب ایمنی باتری مرتبط است.

در این راستا، محققان دانشگاهی در کره جنوبی از کربن فعال و فسفر (P) استفاده کرد. فیبرهای کربن فعال با ریز منافذ به دلیل خاصیت جذب بالای آن تا حد زیادی در انواع فیلترها و سفید کننده ها استفاده می شود. تیم تحقیقاتی، کربن فعال را به عنوان ماده پوششی جداکننده برای جذب پلی سولفیدهای لیتیوم که به طور فیزیکی در طول چرخه شارژ/تخلیه تولید می‌شوند، استفاده کردند. همچنین، تیم تحقیقاتی فسفر بسیار جاذب را به مواد کربنی برای جذب شیمیایی اعمال کردند. این رویکرد ضبط چندوجهی به جلوگیری از تخریب عملکرد باتری لیتیوم-گوگرد به دلیل اثر شاتل پلی سولفیدهای لیتیوم کمک کرد.

علاوه بر این، تیم تحقیقاتی با تقویت انعطاف‌پذیری باتری Li-S، با موفقیت قابلیت استفاده از آن را افزایش داد. این تیم از مواد نانولوله کربنی با رسانایی، شدت و انعطاف‌پذیری بالا برای حذف کلکتور جریان سنگین (برای افزایش چگالی انرژی) در کاتد گوگرد استفاده کرد و در عین حال دوام را با خاصیت خمشی تضمین کرد.

باتری لیتیوم گوگردی که توسط این محققان از طریق فرآیند ذکر شده در بالا ساخته شده است، دارای بالاترین چگالی انرژی در جهان 400Wh/kg است. احتمال تجاری سازی باتری لیتیوم سولفور با ترکیبی از چگالی انرژی بالا، ایمنی عملکرد (طول عمر)، انعطاف پذیری (مدت زمان) با مزایای موجود از جمله سبک وزن و کم هزینه بالا است. به طور خاص، انتظار می‌رود که باتری‌های لیتیوم-گوگرد تا حد زیادی در حوزه حمل و نقل هوایی آینده که به سبک وزن و مدت زمان طولانی نیاز دارد از جمله هوافضا، ماشین پرنده، پهپاد و غیره استفاده شود.

دکتر جون وو پارک، سرپرست تیم تحقیقاتی KERI، گفت: «باتری لیتیوم-گوگرد یک فناوری ضروری برای عناصر کمیاب خاکی و کشورهایی مانند کره با منابع کمیاب است، زیرا از مواد گوگرد و کربن فراوان و ارزان استفاده می کند. وی همچنین گفت: "ما در حال برنامه ریزی برای ترکیب این نتیجه تحقیقاتی با فناوری "سنتز الکترولیت جامد در مقیاس بزرگ" هستیم که توسط KERI توسعه یافته و متعلق به KERI است تا فناوری اصلی نسل بعدی باتری لیتیوم سولفور حالت جامد را تضمین کنیم.