7 دقیقه
چرا باتریهای لیتیم‑گوگرد اهمیت دارند — و چه چیزی مانعِ پیشرفت آن‌ها میشود
باتریهای لیتیم‑گوگرد (Li‑S) بهعنوان جایگزینی جذاب برای سلولهای لیتیم‑یونی امروز در خودروهای الکتریکی (EV) و کاربردهای برد بلند مطرح شده‌اند. گوگرد فراوان و ارزان است، سلولهای Li‑S می‌توانند انرژی بیشتری بر حسب جرم ذخیره کنند و طرح‌های اولیه ایمنی بهتر و شارژ سریع‌تری ارائه می‌دهند. با این حال یک چالش پایدار — که بهعنوان «اثر شاتل» شناخته میشود — مانع از رسیدن شیمی Li‑S به مقیاس تجاری شده است.
اثر شاتل زمانی رخ میدهد که پلیسولفیدهای لیتیم (LPS)، گونههای میانی گوگرد که هنگام شارژ و دشارژ تولید می‌شوند، در الکترولیت حل شده و بین کاتد و آند مهاجرت کنند. این مهاجرت موجب از دست رفتن ماده فعال، افت سریع ظرفیت و عمر چرخه کوتاه میشود. از منظر عملی، بسیاری از سلولهای آزمایشی Li‑S که در ابتدا ممکن است با چگالی انرژی سلولهای لیتیم‑یونی رقابت کنند، پس از تنها چند صد چرخه کامل شارژ/دشارژ برد قابل‌استفاده خود را از دست می‌دهند.
پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری نروژ (NTNU) این گلوگاه را با رویکردی نو که به‌جای بازطراحی کاتدها یا الکترولیت‌ها بر جداساز باتری تمرکز دارد، هدف قرار داده‌اند. راه‌حل آن‌ها — پوشش فوقالعاده نازکی ثبت‌شده با نام HiSep‑II — بهعنوان یک فیلتر انتخابی عمل میکند که پلیسولفیدهای مضر را مسدود و در عین حال یونهای لیتیم را عبور میدهد و بدین‌وسیله مکانیزم اصلی پشت اثر شاتل را هدف می‌گیرد.
HiSep‑II: پوشش جداساز هوشمند فوقالعاده نازک
داخل هر باتری شارژی، جداساز به‌صورت فیزیکی الکترود مثبت و منفی را از هم جدا میکند تا از اتصال کوتاه جلوگیری کند و در عین حال رسانش یونی را ممکن سازد. نوآوری HiSep‑II پوششی بسیار نازک است که روی سطح خارجی جداساز اعمال میشود. برخلاف غشاهای ضخیم‌تر یا تله‌های شیمیایی پیچیده، این پوشش برای سبک‌بودن، قابلیت تولید در مقیاس و سازگاری با سلولهای مبتنی بر لیتیم فعلی طراحی شده است.
نحوه کار فیلتر هوشمند
HiSep‑II مانند یک مانع انتخابی براساس اندازه و شیمی عمل میکند. سطح مهندسی‌شده و تخلخلِ آن، پلیسولفیدهای لیتیم حل‌شده را در سمت کاتد نگه میدارد و در عین حال به یونهای لیتیم (Li+) اجازه میدهد در طول شارژ و دشارژ بین الکترودها جا‌به‌جا شوند. با محدود کردن انتشار پلیسولفیدها، این پوشش از از دست رفتن مداوم گوگرد فعال و تشکیل لایه‌های غیرفعال‌کننده روی آند جلوگیری میکند — مکانیزم‌هایی که معمولاً باعث افت سریع ظرفیت در سلولهای Li‑S می‌شوند.
پژوهشگران NTNU مالکیت فکری این فناوری را از طریق پروژه HiSep‑II به‌دست آورده‌اند و در همکاری با دفتر انتقال فناوری NTNU (TTO) تلاش میکنند پوشش را به بازار برسانند. تیم تأکید دارد که فرایند تولید طوری طراحی شده که از لحاظ زیست‌محیطی سازگار و به‌راحتی مقیاس‌پذیر است و این پوشش می‌تواند در خطوط تولید باتریهای مبتنی بر لیتیم موجود ادغام شود.
افزایش عملکرد، کاهش وزن و پیامدهای گسترده‌تر
آزمایشهای آزمایشگاهی در تأسیسات Gløshaugen دانشگاه NTNU نشان‌دهنده بهبود قابل‌توجهی در عمر چرخه برای سلولهای Li‑S مجهز به پوشش HiSep‑II است. سلولهای پایه Li‑S در آزمایشگاه معمولاً حدود ۲۰۰ چرخه کامل شارژ/دشارژ را قبل از افت قابل‌توجه ظرفیت تحمل میکنند. با جداساز HiSep‑II، عمر چرخه به حدود ۱۰۰۰ چرخه افزایش یافته — افزایشی پنج‌برابری که شیمی Li‑S را برای بسیاری از کاربردها در محدوده‌ای عملی‌تر قرار میدهد.
فراتر از عمر چرخه، HiSep‑II مزایای سطح سیستم نیز دارد. پژوهشگران برآورد میکنند که یک بسته باتری ۸۰۰ ولتی برای یک خودرو الکتریکی که این فناوری را به‌کار گیرد می‌تواند بیش از ۲۰۰ کیلوگرم کاهش جرم داشته باشد، چون چگالی انرژی بالاتر و حفظ بهتر ماده فعال به طراحان اجازه میدهد از افزونگی کمتر و اجزای ساختاری سنگین‌تر کمتری استفاده کنند. نتیجه خودروهای سبک‌تر، بازدهی بهتر و برد رانندگی طولانی‌تر است.
ایمنی و هزینه از مزایای دیگر هستند: گوگرد ارزان و فراوان است و سازگاری پوشش با فناوری‌های مبتنی بر لیتیم موجود آن را برای هواپیمایی، هوافضا، پهپادها، حملونقل دریایی و ذخیرهسازی شبکه جذاب میکند — حوزه‌هایی که در آن‌ها طول عمر، کاهش وزن و پایداری اهمیت حیاتی دارند.
دیدگاه کارشناسان
«افزایش عمر چرخه به اندازه پنج برابر در حالی که وزن پایین حفظ میشود، می‌تواند نقطه عطفی برای پذیرش Li‑S باشد،» می‌گوید دکتر ماریا چن، مهندس سیستم‌های باتری با تجربه در سیستم‌های توان هوافضا. «تمرکز روی جداساز هوشمند رویکردی هوشمندانه است: این راهکار مسئله انتقالی در مرز مواد را حل میکند، به‌جای آن‌که به شیمی‌های پیچیده جدید کاتد یا الکترولیت‌های عجیب متوسل شود. اگر آزمایشهای مستقل نتایج آزمایشگاهی را تأیید کنند و پوشش بهطور قابل‌تکرار مقیاس‌پذیر شود، HiSep‑II می‌تواند Li‑S را برای کاربردهای باارزش در حوزه حملونقل و ذخیرهسازی که در آن‌ها چگالی انرژی و ایمنی اهمیت دارند، قابل‌استفاده کند.»
این دیدگاه مستقل دو واقعیت را برجسته میکند: اعتبارسنجی توسط اشخاص ثالث ضروری است و یکپارچه‌سازی سیستم — از ساخت سلول تا طراحی بسته و مدیریت حرارتی — عملکرد در دنیای واقعی را تعیین خواهد کرد.
مقیاسپذیری، آزمون و چشم‌انداز تجاری
پیش از آن‌که HiSep‑II به محصولات تجاری برسد، چند گام باقی مانده است. آزمونهای مستقل باید پایداری بلندمدت، ایمنی و عملکرد سازگار هنگام ادغام پوشش در سلول‌ها و بسته‌های باتری کامل را تأیید کنند. آزمایشهای تولید نیز باید نشان دهند که پوشش می‌تواند با توان بالا، یکنواختی کیفیت و هزینه قابلقبول بهطور قابل‌اطمینانی اعمال شود.
دفتر انتقال فناوری NTNU (TTO) فعالانه به‌دنبال شرکای صنعتی برای تأمین مالی ادامه پتنت‌ها و هدایت تست‌های مقیاسپذیری و اعتبارسنجی است. کریستینا نیدال، توسعه‌دهنده کسب‌وکار در TTO، پتانسیل فراسازمانی فناوری را برجسته میکند: «هدف ما این است که HiSep‑II را به‌صورت مجوز در اختیار قرار دهیم تا از خودروهای الکتریکی تا ذخیرهسازی انرژی مقیاس‌بالا قابل‌استفاده باشد. این فناوری برای بخش‌هایی که در آن‌ها طول عمر و ایمنی غیرقابل‌مذاکره‌اند امیدوارکننده به‌نظر می‌رسد.»
پذیرش تجاری بستگی به اثبات افزایش عمر مفید، هزینه به ازای هر کیلووات‌ساعت، پیچیدگی یکپارچه‌سازی و تأییدهای مقرراتی برای اجزای جدید باتری دارد. با این حال مفهومِ پوشش جداساز باریک‌تر و مقیاس‌پذیر که اثر شاتل را کاهش میدهد، راهکاری عملی برای تجاریسازی سلولهای Li‑S بدون بازطراحی کلی شیمی سلولی ارائه میدهد.
نتیجه‌گیری
HiSep‑II پوشش جداساز فوقالعاده نازکی است که در NTNU توسعه یافته و اثر شاتل پلی‌سولفید لیتیم را هدف قرار میدهد — علت اصلی افت سریع ظرفیت در باتریهای لیتیم‑گوگرد. نتایج آزمایشگاهی افزایش تا پنج‌برابری در عمر چرخه و صرفه‌جویی در وزن در سطح سیستم را نشان می‌دهند که می‌تواند بسته‌های باتری خودروهای الکتریکی، سیستم‌های توان هواپیمایی و ذخیرهسازی انرژی را دگرگون کند. قابلیت تولید، سازگاری زیست‌محیطی و تطابق با خطوط تولید مبتنی بر لیتیم موجود این فناوری را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای تجاریسازی تبدیل میکند — به‌شرطی که اعتبارسنجی مستقل و مقیاسپذیری صنعتی عملکرد آزمایشگاهی را تأیید کنند. در صورت تحقق این مراحل، HiSep‑II می‌تواند گامی تعیین‌کننده به‌سوی باتریهای Li‑S ارزان‌تر، سبک‌تر و با عمر طولانی‌تر برای طیف گسترده‌ای از کاربردهای حملونقل و ذخیرهسازی باشد.
منبع: techxplore
.avif)
نظرات