افزایش سه برابری ظرفیت باتری خودروهای الکتریکی با شکل کمیابی از گوگرد!

به همان اندازه که محبوبیت خودروهای الکتریکی افزایش پیدا می‌کند، دانشمندان نیز ظرفیت‌های زیادی را در باتری‌های لیتیوم-گوگردی کشف می‌کنند. دلیل این کار هم عدم تکیه به منابع مواد خام گران‌قیمت و هزینه‌بر قبلی همچون کبالت است. علاوه بر این چالش‌ها و مشکلات دیگری نیز در زمینه پیشرفت تکنولوژی باتری خودروهای الکتریکی وجود داشته است. مهندسان دانشگاه درکسل می‌گویند این باتری‌ها به استفاده تجاری نزدیک شده‌اند و برای جلوگیری از انجام واکنش‌های شیمیایی آسیب‌رسان در باتری‌ها، فاز شیمیایی کمیابی از گوگرد را بکار گرفته‌اند.

باتری‌های لیتیوم-گوگرد امیدواری‌های فراوانی را از نظر ذخیره انرژی ایجاد کرده‌اند چراکه گوگرد نه تنها عنصری فراوان است بلکه مشکل کمتری نسبت به کبالت، منگنز و نیکل بکار رفته در باتری‌های کنونی دارد. شکل کمیاب گوگرد شاید عملکرد قابل‌توجهی را نیز ارائه کند و باعث افزایش چند برابری ظرفیت ذخیره انرژی نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون کنونی شود؛ اما یک مشکل وجود دارد که دانشمندان با آن دست‌وپنجه نرم می‌کنند و آن‌هم تشکیل ترکیبات شیمیایی با نام پلی سولفیدها است.

با کار کردن باتری این ترکیبات وارد الکترولیت می‌شوند. الکترولیت محلولی است که الکترون‌ها در داخل آن حرکت می‌کنند و واکنش‌های شیمیایی انجام شده منجر به تولید الکتریسیته می‌شود. دانشمندان موفقیت‌هایی را در تغییر ترکیب محلول الکترولیت‌ها کسب کرده‌اند و بجای الکترولیت کربناتی از الکترولیت اتر استفاده کرده‌اند که با پلی سولفیدها واکنش نمی‌دهد؛ اما این موضوع باعث ایجاد مشکلات دیگری شده است زیرا الکترولیت اتر بسیار فرار است و حاوی ترکیباتی با نقطه‌جوش پایین است بنابراین اگر دما افزایش یابد باتری به سرعت از کار می‌افتد یا ذوب می‌شود.

مهندسان دانشگاه درکسل روی راه‌حل دیگری کار کرده‌اند و می‌خواهند طراحی جدیدی از کاتد را معرفی کنند که با الکترولیت‌های کربناتی قبلی کار می‌کند. این کاتد از نانو فیبرهای کربنی ساخته شده است و قبلاً کاهش حرکت پلی سولفیدها در الکترولیت اتر را نشان داده‌اند؛ اما برای اینکه چنین کاتدهایی با الکترولیت کربناتی هم کار کنند باید آزمایش‌هایی انجام شود.

یکی از محققان ارشد این پروژه گفته است:

داشتن کاتدی که بتواند با الکترولیت کربناتی کار کند مسیری با کمترین هزینه‌ها برای تولیدکنندگان تجاری است. به همین خاطر بجای تحت‌فشار گذاشتن صنعت برای استفاده از الکترولیت جدید، هدف ما تولید کاتدی است که بتواند با سیستم الکترولیت فعلی لیتیوم-یون کار کند

دانشمندان می‌خواهند گوگرد را در ساختار کربن نانو فیبر محصور کنند تا به این ترتیب از انجام واکنش‌های شیمیایی مخرب جلوگیری کند. این کار با استفاده از تکنیکی به نام حالت بخار انجام می‌شود. این وضعیت خیلی باب میل دانشمندان نیست اما در واقع گوگرد را به روشی غیرمنتظره کریستالیزه می‌کند و آن را به محصولی به نام گوگرد مونوکلینیک فاز گاما تبدیل می‌کند. این فاز شیمیایی گوگرد تنها در دماهای بالا و در آزمایش تولید می‌شود. این ماده با الکترولیت کربنات واکنش نمی‌دهد و بنابراین ریسک تشکیل پلی سولفید را از بین می‌برد.

یکی دیگر از دانشمندان حاضر در این تحقیق می‌گوید:

در ابتدا باور چیزی که یافته بودیم سخت بود زیرا در تمامی تحقیقات قبلی، گوگرد مونوکلینیک در دماهای زیر ۹۵ درجه سانتی‌گراد ناپایدار بود. در قرن گذشته تنها چند تحقیق درباره تولید گوگرد گاما مونوکلینیک انجام شده بود و این ماده در بیشترین میزان فقط به مدت ۲۰ تا ۳۰ دقیقه پایدار بود؛ اما ما ماده‌ای تولید کردیم که در هزاران سیکل شارژ و دشارژ و بدون کاهش عملکرد انجام‌وظیفه می‌کند و آزمایش‌های یک سال بعد ما نشان داد فاز شیمیایی تغییری نکرده است

کاتد در طول یک سال تست و آزمایش و ۴ هزار سیکل شارژ و دشارژ پایدار باقی ماند و دانشمندان می‌گویند این تست به منزله ۱۰ سال استفاده عادی است. باتری پیش‌تولیدی این تیم که از کاتد موردبحث استفاده کرده است ۳ برابر یک باتری لیتیوم-یونی استاندارد ظرفیت دارد و بنابراین راه را برای تولید باتری‌های پاک‌تر که باعث ایجاد شعاع حرکتی بیشتر می‌شوند باز می‌کند.

مدیر پروژه می‌گوید:

اگرچه ما هنوز در حال کار روی درک دقیق مکانیسم تولید این گوگرد مونوکلینیک پایدار در دمای اتاق هستیم اما یافته ما بسیار هیجان‌انگیز است و می‌تواند راه‌های جدیدی را روی توسعه باتری‌های ارزان‌تر و پایدارتر بگشاید