مواد و ساخت پیشرفته

تحقیقات اخیر نشان داده است کامپوزیت گوگرد-نیترید-تیتانیوم، عملکرد کلی باتری های لیتیوم-گوگرد را بهبود می بخشد. این تحقیقات روشی ساده و نوین را برای تهیه کاتد در باتری های لیتیوم-گوگرد ارائه می دهد که باعث کاهش اثر شاتل و بهبود عملکرد کلی می شود و آن را به تجاری سازی نزدیک می کند.

با توجه به افزایش آگاهی جهانی در مورد گرم شدن کره زمین، اقدامات بسیاری برای کاهش انتشار کربن انجام شده است. یکی از حوزه هایی که در آن کاهش انتشار دی اکسید کربن مورد نیاز است، بخش حمل و نقل است. برای این منظور، توجه به وسایل برقی که با باتری کار می کنند بیشتر شده است. در حال حاضر، برای تامین انرژی این خودروها از باتری های لیتیوم یونی استفاده می شود. ولی این فناوری به مرز چگالی انرژی تئوری خود نزدیک شده و فقط برای سفرهای کوتاه قابل استفاده است. بنابراین، برای بهبود بیشتر میزان انرژی یک باتری، برای استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی با برد طولانی، باید شیمی باتری های جدید مورد بررسی قرار گیرد.

یکی از راه حل های احتمالی که می تواند برای جایگزینی باتری های تجاری فعلی استفاده کرد، استفاده از باتری های لیتیوم-گوگرد است. این باتری ها از چگالی انرژی تئوری بسیار بالاتری برخوردار بوده و از موادی ساخته شده است که فراوان و مقرون به صرفه تر است و باعث می شود یک فناوری پایدارتر تولید شود. با این وجود، باتری های لیتیوم-گوگرد مشکلات خاص خود را دارند که مانع تجاری سازی آنها می شود. به عنوان مثال، کاتد در طی چرخه کاری دچار تغییر حجم زیادی می شود و باعث می شود مواد به مرور زمان تخریب شوند. علاوه بر آن، گوگرد عایق است و مانع جریان الکترون ها/ یون ها در کاتد می شود و عملکرد باتری را کاهش می دهد.

به منظور مقابله با این مشکلات، گوگرد را می توان با ماده دیگری، برای بهبود رسانایی و نیز جذب پلی سولفیدها ترکیب کرد و کامپوزیت تشکیل داد تا از اتلاف مواد جلوگیری کرد. یکی از این مواد نیترید تیتانیوم است که دارای هدایت الکتریکی نزدیک به فلزات است و نشان داده شده است می تواند پلی سولفیدها را به صورت شیمیایی جذب کند. برای این منظور، میکروکره های نیترید تیتانیوم با گوگرد مخلوط می شوند تا کامپوزیت تشکیل شود و نهایتا از آن به عنوان ماده کاتدی در باتری ها مورد استفاده قرار گیرد.

نتایج مطالعات نشان داده است وقتی از کاتدهای پایه کربنی استفاده می شود، توانایی باتری در تولید انرژی به طور قابل توجهی در طی 400 چرخه کاهش می یابد. ولی هنگام وارد کردن میکروکره های نیترید تیتانیوم به کاتد، باتری نسبت به همان بازه زمانی، نسبتا پایدارتر است. محققان این موضوع را به توانایی نیترید تیتانیوم در جذب پلی سولفیدها و به حداقل رساندن تخریب کاتد نسبت می دهند.

منبع:

https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/slct.202002641