أخبار مختبر الأبحاث

Aenert. Research Laboratory news
غالبًا ما يستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى يتم طرح التقنيات التي تظهر نتائج واعدة في المختبر أثناء الاختبار بنجاح في السوق. وهذا هو الحال مع بطارية الليثيوم والكبريت. وقد أظهرت البطارية أداءً أفضل من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية ولكنها لم تتمكن بعد من الحصول على موطئ قدم في الأسواق العالمية، حيث من المتوقع أن يتراجع أدائها بسرعة مع الشحن والتفريغ المتكرر عند توسيع نطاقها إلى الحجم التجاري.
تتكون بطارية الليثيوم-الكبريت من قطب ليثيوم سالب من معدن الليثيوم وقطب موجب من عنصر الكبريت. أثناء التفريغ، يذوب معدن الليثيوم ذو القطب السالب في الإلكتروليت، ويتحرك أيون الليثيوم إلى القطب الموجب للكبريت ويتفاعل مع الكبريت لتكوين أيون متعدد الكبريتيد (Li₂Sx). أثناء الشحن، يتحلل أيون متعدد الكبريتيد، ويعود أيون الليثيوم إلى القطب السالب. وهو انحلال الكبريت من الكاثود أثناء التفريغ والذي يشكل السبب الكامن وراء انخفاض الأداء المذكور أعلاه ويؤدي إلى تكوين بولي كبريتيدات الليثيوم القابلة للذوبان (Li₂S₆). ثم تتدفق هذه المركبات إلى القطب السالب من معدن الليثيوم (الأنود) أثناء الشحن، مما يؤدي إلى تفاقم المشكلة. وبالتالي، فإن فقدان الكبريت من الكاثود والتغييرات في تكوين الأنود يعيق بشكل كبير أداء البطارية أثناء ركوب الدراجات. تشمل القيود الأخرى على الاستخدام الواسع النطاق لبطاريات الليثيوم والكبريت تكلفتها العالية وعدم إمكانية نقلها على متن شركات الطيران بسبب المواد الكيميائية التي تحتوي عليها.

الآن ( 2023 )، حقق العلماء في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية العديد من الاكتشافات الرائدة فيما يتعلق بعمل بطاريات الليثيوم والكبريت. بحثت أبحاثهم الأخيرة في آلية تفاعل غير معروفة سابقًا تعالج عيبًا كبيرًا يتعلق بالعمر القصير جدًا للبطاريات.

تم تخصيص أبحاث سابقة لتطوير مادة محفزة، والتي بمجرد إضافتها بكمية صغيرة إلى كاثود الكبريت، تقضي بشكل أساسي على مشكلة فقدان الكبريت. وقد أثبت المحفز فعاليته بشكل جيد في الخلايا ذات الحجم التجاري والمختبري. ومع ذلك، لم يتمكن العلماء من تحديد الآلية التي تمكن من تحسين الأداء.
وقد مكنتهم الدراسة الأخيرة من الحصول على رؤى أكبر حول هذه المسألة. ووجد العلماء أنه في غياب المحفز، تشكلت كبريتيدات الليثيوم المتعددة على سطح الكاثود وخضعت لسلسلة من التفاعلات، والتي أدت في النهاية إلى تحويل الكاثود إلى كبريتيد الليثيوم (Li_2).س). وذلك بسبب تشكل فقاعات نانوية كثيفة من بولي كبريتيد الليثيوم على سطح الكاثود، والتي لم تظهر بدون المحفز. وقد شوهد بوليسلفيدات الليثيوم هذه تنتشر بسرعة في جميع أنحاء هيكل الكاثود أثناء التفريغ والتحول إلى كبريتيد الليثيوم الذي يتكون من بلورات نانوية الحجم، والتي بدورها أدت إلى تجنب فقدان الكبريت وانخفاض الأداء في الخلايا ذات الحجم التجاري.

للوصول إلى هذه النتائج، استخدم العلماء حزم الأشعة السينية السنكروترونية المكثفة عند خط الشعاع 20-BM لمصدر الفوتون المتقدم لتحليل بنية المحفز ووجدوا أن بنيته أثرت على شكل وتكوين المنتج النهائي عند التفريغ، أيضًا كالمنتجات الوسيطة. هناك تقنية أخرى استخدموها سمحت لهم بجعل واجهة الإلكتروليت والكهارل على المقياس النانوي مرئية أثناء عمل خلية الاختبار. ساعدت هذه التقنية المبتكرة حديثًا على ربط التغييرات على المستوى النانوي بسلوك الخلية العاملة.
كانت هناك محاولات عديدة لتحسين التفاعلات الكيميائية في بطاريات الليثيوم والكبريت. في عام 2018 ، قام العلماء بتحليل العلاقة بين خاصية المذيبات وكيمياء الأكسدة والاختزال Li-S في تسعة مذيبات إلكتروليتية غير مائية تغطي نطاقًا واسعًا من ثلاث خصائص فيزيائية وكيميائية رئيسية للمذيبات، وهي ثابت العزل الكهربائي (ε) ورقم غوتمان المانح (DN) (مقياس لقدرة المذيب على إذابة الكاتيونات)، والرقم القابل (AN). بالاعتماد على تقنيات تحليلية مختلفة بما في ذلك قياس الجهد الدوري، وتقنية قطب القرص الدائري الدوار، والتحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية والقياس الجلفاني في خلية مكونة من جزأين، أظهروا أن احتمالية اختزال S8 تزداد مع زيادة AN وأن اختزال/أكسدة متعدد الكبريتيد تأثر بشدة بـ DN.

Image: a) Correlation between acceptor number and the onset potential for the reduction of S 8 in different solvents (obtained from the CVs in Fig. 1 using a procedure outlined in Fig. S2), with the inset comparing the DN and the dielectric constant for selected solvents. Only eight solvents are shown in Fig. 2a, as no acceptor number for DOL is available in literature; b) iRcorrected CVs of a GC electrode in 1 M LiTFSI in DMSO with 2 mM S 8 at various scan rates (the peak potentials at 500 mV/s of the 2 nd redox pair are marked); c) iR-corrected CVs of a GC electrode in 1 M LiTFSI in DOL:DME (1:1, v:v) with 4 mM S 8 at various scan rate



Source: Qi He, Yelena Gorlin, Manu UM Patel, Hubert A. Gasteiger/ Unraveling the Correlation between Solvent Properties and Sulfur Redox Behavior in Lithium-Sulfur Batteries/ Journal of The Electrochemical Society 165(16):A4027-A4033, December 2018/ DOI:10.1149/2.0991816jes/Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

لمعرفة المزيد عن دور ثابت العزل الكهربائي ورقم المانح، تم فحص تفاعلات الأكسدة والاختزال واستقرار متعدد الكبريتيد وتأثير تركيز الملح في الأسيتونيتريل، وهو مذيب ذو ثابت عازل مرتفع وDN منخفض. وأظهر العلماء أن DN كان القوة الرئيسية وراء تفاعلات الأكسدة والاختزال متعدد الكبريتيد، حيث إنه يوجه كثافة الشحنة الفعالة للكاتيونات المذابة (Li⁺)، والتي أثرت على استقرار متعدد الكبريتيدات بكثافة شحن مختلفة.
في عام 2020، أثبت العلماء أن هناك تأثيرًا مفيدًا للبوليسولفيدات على تجريد معدن الليثيوم وترسبه حتى بدون LiNO3، والذي يتم إضافته عادةً. في سياق التجربة، تم اختبار الكاثوليتات عالية التركيز، والتي تشبه إلى حد كبير المحاليل المشبعة التي تمت مواجهتها في نسب الإلكتروليت إلى الكبريت. في محلول الكاثولايت 1 M Li2S8، تم إنتاج أقطاب Li بدون نمو شجيري، ولكن بسطح متجعد. أظهر أداء هذه الأقطاب الكهربائية زيادة في دورة الحياة وانخفاض الإمكانات الزائدة، على الرغم من أنه وجد أنه لا يمكن تجنب النمو التشعبي بالكامل. من أجل فهم تأثير المعالجة المسبقة على آلية النقل/التفاعل بشكل أفضل في قطب Li، تم إجراء تحليل مفصل لأطياف المعاوقة المحددة باستخدام نمذجة خط النقل القائم على الفيزياء (TLM).

Image: SEM images of Li electrodes after 60 cycles of stripping and deposition cycling with impedance analysis conducted with four different concentrations of polysulfides in the supporting 1 M LiTFSI in TEGDME:DOL 1:1 (v:v) electrolyte



Source: Sara Drvarič Talian, Jernej Bobnar, Joze Moskon, Robert Dominko, Miran Gaberscek/ Effect of high concentration of polysulfides on Li stripping and deposition/ Electrochimica Acta 354:136696, July 2020/ DOI:10.1016/j.electacta.2020.136696/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

هناك العديد من المزايا المتعلقة ببطاريات الليثيوم والكبريت: أولاً، يمكنها تخزين طاقة أكثر بمرتين إلى ثلاث مرات في حجم معين، مما يؤدي إلى أداء أطول، والذي يمكن استخدامه بشكل مفيد على سبيل المثال. في المركبات. كما أن تكلفتها المنخفضة، الناجمة عن وفرة الكبريت والقدرة على تحمل تكاليفه، تجعلها قابلة للحياة اقتصاديًا. علاوة على ذلك، لا تحتاج بطاريات الليثيوم والكبريت إلى موارد حيوية مثل الكوبالت والنيكل، والتي قد تواجه نقصًا في المستقبل.

النتائج الواعدة لهذا البحث تحفز العلماء على إجراء المزيد من الأبحاث وتصميم كاثودات كبريتية أفضل. ومع هذه الإنجازات الأخيرة، هناك أمل في أن بطاريات الليثيوم والكبريت ستعمل قريبًا على تشغيل الأجهزة المختلفة التي تعمل بالبطاريات، بما في ذلك السيارات الكهربائية، فضلاً عن تقديم حل أكثر استدامة وصديق للبيئة لصناعة النقل.

من قبل هيئة التحرير