تستخدم معظم البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تغذي الأجهزة المحمولة، مثل الألعاب والمكانس الكهربائية المحمولة والدراجات الإلكترونية، تقنية أيونات الليثيوم.
ولكن هذه البطاريات قد تكون أعمارها قصيرة وقد تشتعل فيها النيران عند تلفها.
ولمعالجة قضايا الاستقرار والسلامة، صمم باحثون في مجلة ACS Energy Letters بطارية ليثيوم كبريتيد (Li-S) تتميز بكاثود كبريتيد الحديد المحسن.
ويظل أحد النماذج الأولية مستقرًا للغاية على مدار 300 دورة شحن وتفريغ، بينما يوفر نموذج آخر الطاقة حتى بعد طيه أو قطعه.
وقد تم اقتراح الكبريت كمواد لبطاريات الليثيوم أيون بسبب تكلفته المنخفضة وإمكاناته في الاحتفاظ بطاقة أكبر من أكاسيد الليثيوم المعدنية وغيرها من المواد المستخدمة في الإصدارات التقليدية القائمة على الأيونات.
استخدام إلكتروليت قائم علىالكربونات
ولجعل بطاريات Li-S مستقرة في درجات الحرارة العالية، اقترح الباحثون سابقًا استخدام إلكتروليت قائم على الكربونات لفصل القطبين (كاثود كبريتيد الحديد وأنود يحتوي على معدن الليثيوم).
ومع ذلك، عندما يذوب الكبريتيد الموجود في الكاثود في الإلكتروليت، فإنه يشكل راسبًا غير قابل للاختراق، مما يتسبب في فقدان الخلية لسعتها بسرعة.
وتساءل ليبينج وانج وزملاؤه عما إذا كان بإمكانهم إضافة طبقة بين الكاثود والإلكتروليت لتقليل هذا التآكل دون تقليل الوظائف وقابلية إعادة الشحن.
أفضل أداء
قام الفريق بتغليف كاثودات كبريتيد الحديد ببوليمرات مختلفة ووجدوا في اختبارات الأداء الكهروكيميائية الأولية، أن حمض البولي أكريليك (PAA) كان أفضل أداء، حيث احتفظ بسعة تفريغ القطب بعد 300 دورة شحن وتفريغ.
بعد ذلك، قام الباحثون بدمج كاثود كبريتيد الحديد المغلف بـ PAA في تصميم بطارية أولية، والتي تضمنت أيضًا إلكتروليتًا قائمًا على الكربونات، ورقاقة معدنية من الليثيوم كمصدر للأيونات، وأنودًا قائمًا على الجرافيت.
ثم قاموا بإنتاج واختبار نماذج أولية لكل من بطاريات الخلايا الكيسية والخلايا المعدنية.
وبعد أكثر من 100 دورة شحن وتفريغ، لم يلاحظ وانج وزملاؤه أي تدهور كبير في سعة الخلية الكيسية.
وأظهرت تجارب إضافية، أن الخلية الكيسية ظلت تعمل بعد طيها وقطعها إلى نصفين.
واحتفظت الخلية المعدنية بنسبة 72% من سعتها بعد 300 دورة شحن وتفريغ.
ثم قاموا بعد ذلك بتطبيق طلاء البوليمر على الكاثودات المصنوعة من معادن أخرى، مما أدى إلى إنشاء بطاريات ليثيوم-موليبدنوم وليثيوم-فاناديوم.
كما كانت لهذه الخلايا سعة مستقرة على مدار 300 دورة شحن وتفريغ.
وبشكل عام، تشير النتائج إلى أن الكاثودات المطلية يمكن أن تنتج ليس فقط بطاريات Li-S أكثر أمانًا ذات عمر افتراضي طويل، ولكن أيضًا بطاريات فعالة مع كبريتيدات معادن أخرى، وفقًا لفريق وانج.