چالشهای باتری لیتیوم سولفور؛ جایگزین محتمل باتری یون لیتیوم
زوميت/ باتري ليتيوم سولفوري نسبت به باتري ليتيوم يوني مزاياي زيادي دارن؛ اما قبل از کاربرد گسترده بايد برخي مشکلات آن را برطرف کرد. باتريهاي ليتيوم سولفوري (Li,S) از انواع نسبتا جديدي هستند که طي پژوهشهاي مختلف توسعه يافتهاند. بهدليل تراکم بالاي انرژي اين نوع باتري از نظر تئوري (بهطوري که پنج برابر بيشتر از آخرين باتريهاي ليتيوم يوني در يک حجم کوچکتر انرژي ذخيره ميکند)، در هر دو مقياس کاربردي بزرگ و کوچک هم از گزينههاي قوي و برندگان احتمالي بهشمار ميرود. اما قبل از پيادهسازي اين نوع باتري در زمينههاي کاربردي واقعي، بايد بعضي از مشکلات عملکردي آن ازجمله رسانايي ضعيف و بازدهي انرژي ناکافي را حل کرد. اين خطاهاي کوچک از واکنشها و انواع شيميايي درون باتري ناشي ميشوند؛ زيرا شارژ باتري از طريق اتمهاي ليتيوم بين دو الکترود باتري و از طريق الکتروليتي که آنها را جدا ميکند، منتقل ميشود. اين مشکلات را ميتوان با اضافه کردن سولفيدهاي رساناي فلزي ازجمله سولفيد مس (CuS)، سولفيد آهن (FeS2)، سولفيد تيتانيوم (TiS2) و ... به الکترود سولفور تا اندازهاي کاهش داد. بااينحال هر نوع سولفيد فلز در باتريهاي Li-S رفتار منحصربهفرد و متفاوتي از خود نشان ميدهد. دانشمندان براي درک سازوکارهاي بنيادي اين رفتارهاي متفاوت بايد به بررسي دقيق واکنشهاي پيچيدهي شارژ و تخليهي شارچ باتري بپردازند که خود يک چالش به شمار ميرود. تصوير 1دانشمندان با همراهي يورگين تيم از اشعهي طيفسنجي اشعهي ايکس تفکيک زيرميکروني (SRX) براي نمايش فرآيندهاي داخلي باتري ليتيوم، سولفور استفاده کردند. گروهي از پژوهشگرها در سه مرکز NSLS-II (مرکز ملي نور شتابدهندهي ذرات ۲)، بخش انرژي ايالاتمتحده (DOE)، دفتر تأسيسات کاربري علوم در آزمايشگاه ملي بروکهاون DOE، با هدف دستيابي به اطلاعات بيشتر در مورد تکامل شيميايي و ساختاري افزودني سولفيد فلز (در اين نمونه سولفيد مس) با اجراي يک آزمايش چندروشي اشعهي ايکس به بررسي حرکت يونهاي ليتيوم بين الکترودهاي باتري پرداختند. کار آنها يک نمونهي بررسي اوپراندو است، بررسي اپراندو به روشي گفته ميشود که امکان جمعآوري اطلاعات ساختاري و شيميايي به پژوهشگرها ميدهد و درعينحال اندازهگيريهاي فعاليت الکتروشيميايي را ثبت ميکند. اين گروه از يک مجموعه تکنيک اشعهي ايکس براي اين آزمايش استفاده کرد: توزيع پودر اشعهي ايکس براي جمعآوري اطلاعات ساختاري، پردازش تصوير فلوئورسنس اشعهي ايکس براي نمايش تغييرات در توزيع عناصر و طيفسنجي جذب اشعهي ايکس براي رديابي واکنشهاي شيميايي. نتايج در نسخهي آنلاين ۱۱ اکتبر ۲۰۱۷ مجلهي Scientific Report منتشر شدند و چشماندازهاي جديدي به تکامل شيميايي و ساختاري سيستم باز کردند. بررسي افزودنيها براي عملکرد بهتر از ميان گزينههاي مختلف، سولفيد مس يا CuS به چند دليل ازجمله رسانايي و تراکم انرژي بالا گزينهي خوبي به نظر ميرسد. بر اساس نتايج آزمايشهاي قبلي اضافه کردن CuS به الکترود سولفور منجر به بهبود ظرفيت تخليهي شارژ باتري ميشود؛ زيرا سولفور يک رساناي ضعيف اما رسانا در مقابل CuS است و از نظر الکتروشيميايي فعال و واکنشپذير است. بااينحال وقتي از کاتدهاي (الکترود مثبت) پيوندي سولفور، CuS استفاده شد، يونهاي Cu در الکتروليت حل و درنهايت روي آند (الکترود منفي) ليتيوم جمع شدند و لايهي بين آند و الکتروليت را تخريب کردند. به اين ترتيب سلول تنها پس از چند مرتبه چرخهي شارژ-دشارژ، خراب ميشود. بهگفتهي هونگ گان، پژوهشگر بخش فناوريهاي پايدار انرژي بروکهاون و يکي از مؤلفين اصلي مقالهي مرتبط: اين مشاهده يک چالش طراحي براي الکترودهاي چندعملکردي است: شايد در حين عرضهي مؤلفههاي جديد با ويژگيهاي مطلوب مشکلاتي رخ دهد و مانع از اهداف طراحي اصلي شود. براي حل مشکلات باتري Li-S با افزودني CuS و ارائهي راهنمايي براي طراحي الکترودهاي آينده، به درک بهتري از تکامل سيستمها ازجمله درک ساختاري، شيميايي و ريختشناسي نياز داريم. روش چندوجهي بهگفتهي ديگر مؤلف مقاله، کارن چن ويگارت و استاديار علوم مواد دانشگاه استوني بروک و بخش مهندسي شيمي: امروزه بيشتر نياز به توسعهي روش چندوجهي داريم؛ زيرا اين روش تنها به بررسي يک جنبه از تکامل سيستم نميپردازد، بلکه با استفاده از روشهاي تکميلي شتابدهندهي ذرات ديدگاه جامعي نسبت به بسياري از ابعاد سيستم ارائه ميدهد. درنتيجه، گروه پژوهشي در درجهي اول به طراحي يک سلول باتري پرداخت که با هر سه روش اشعهي ايکس سازگاري کامل دارد و ميتوان آن را در سه باريکهي مختلف اشعهي ايکس مورد بررسي قرار داد. طرح آنها نهتنها امکان اندازهگيري در هر دو الکترود باتري را فراهم کرده؛ بلکه از نظر نوري هم شفاف است و امکان اجراي ميکروسکوپي نوري و ترازبندي در خطوط باريکه را به پژوهشگر ميدهد. بهگفتهي چن ويگارت: دليل اهميت اين ويژگيها اين است که امکان تجزيهي فضايي واکنشهاي مؤلفههاي مختلف را در موقعيتهاي مختلف داخل سلول فراهم ميکنند و اين همان هدف اصلي پژوهش است. علاوه بر اين طرح بهقدري ساده و تطبيقپذير است که امکان توليد مقرونبهصرفهي تعداد زيادي از سلولها را براي هر آزمايش شتابدهنده فراهم ميکند. سان، ژاو و لين با همکاري يکديگر موفق به توسعهي سلولهاي باتري چندوجهي شدند. علاوه بر اين تيم پژوهشگرها به طراحي يک نگهدارندهي چندسلولي پرداخت که امکان چرخش همزمان چند باتري و اندازهگيري موفقيتآميز و پيوستهي آنها را فراهم ميکند. اريک دورهيخط باريکهي پراکندگي پودري اشعهي ايکس (XPD)، تيم با همکاري اريک دورهي به بررسي تکامل ساختاري الکترود پيوندي در حين تخليهي شارژ ميپردازد. دانشمندان براي مطالعهي تکامل ساختاري الکترودهاي پيوندي در حين تخليهي شارژ، از روش تفرق پودري اشعهي ايکس (XPD) استفاده کردند. خط باريکهي XPD يک ابزار مؤثر در بررسي واکنشهاي باتري از جمله باتريهاي ليتيوم سولفوري است که در اين نمونه براي ثبت زمانبندي واکنش بين ليتيوم و Cus نسبت به واکنش با سولفور به کار رفته است. طبق دادههاي XPD، محصولات واکنش بلوري يا کريستالي نيستند. دانشمندان به طراحي يک سلول باتري ليتيوم سولفوري (راست) پرداختهاند که با هر سه روش اشعهي ايکس در سه باريکهي مختلف اشعهي ايکس (چپ) سازگار است، از اين باريکهها براي بررسي عملکرد باتري در شرايط مختلف استفاده ميشود. گروه پژوهش براي کسب اطلاعات بيشتر مجددا از روش طيفسنجي جذب اشعهي ايکس يا XAS استفاده کرد و آزمايش را در خط باريکهي ISS (طيفسنجي ديوارهي داخلي) انجام داد. بر اساس دادههاي XAS پس از تخليهي کامل باتري، Cus به انواعي تبديل ميشود که نسبت Cu و S در آنها بين دو مادهي CuS و Cu2S متغير است. گروه براي بررسي ترکيب فازي دقيق در آينده آزمايشهاي ديگري XAS را انجام خواهد داد. دانشمندان براي نمايش تجزيهي CuS و تجزيهي مجدد آن روي آند ليتيوم از آزمايش ميکروسکوپي فلوئورسنس اشعهي ايکس يا XRF در خط باريکهي SRX (طيفسنجي اشعهي ايکس با تفکيک زيرميکروني) استفاده کردند. پردازش تصوير XRF با اندازهگيري فلوئورسنس اشعهي ايکس منتشرشده هنگام برانگيخته شدن نمونه با يک منبع اصلي اشعهي ايکس، به شناسايي عناصر موجود در آن ميپردازد. به اين صورت گروه ميتواند پردازش عناصر موجود در باتري و همينطور چگونگي و تکامل توزيع را ثبت کند. اين اطلاعات به دادههاي تکامل شيميايي و ساختاري بهدستآمده از بررسيهاي XPD و XAS وابسته هستند. جمعبندي با مرور کامل يافتههاي هرکدام از روشهاي اشعهي ايکس، ميتوان به يک چشمانداز (هرچند پيچيده) از تکامل فاز کريستالي الکترود سولفور، CuS رسيد و همينطور به نحوهي تجزيهي CuS در طول تخليهي شارژ سلول پي برد. با مرور کلي نتايج بهدستآمده از هرکدام از روشهاي اشعهي ايکس تصويري از تکامل فاز کريستالي الکترود پيوندي سولفور، CuS و همينطور تجزيهي CuS در طول تخليهي شارژ سلول شکل ميگيرد. در بخش اول تخليهي شارژ، سولفور داخل کاتد بهطور کامل مصرف ميشود و به نظر ميرسد که به پلي سولفيدهاي ليتيومي حلال مثل LiS3، LiS4 و به همين ترتيب تا LiS8 تبديل ميشود. سپس پليسولفيدها به Li2S2 غير کريستالي تبديل ميشوند که بعدا به Li2S کريستالي تبديل ميشود. ليتيم دار شدن سولفور تا انتهاي تخليهي شارژ متوقف ميشود. در اين نقطه، ليتيمدار شدن CuS شروع به تشکيل گونههاي غير کريستالي CuS ميکند. CuS بهشدت با بعضي از انواع پليسولفيد واکنش ميدهد. يونهاي Cu در الکتروليت حل ميشوند و در اين محلول از کاتد به آند ميروند. انواع مختلف مس هم از سطح آند تجزيه و درنتيجه خيلي زود سلول خراب ميشود. اين پروژه يک مکانيزم شفاف در مورد واکنش سولفور و مس سولفيد را داخل يک سلول Li-S در طول چرخهي شارژ يا تخليهي شارژ ارائه ميدهد. تيم پژوهشي از روش چندوجهي شتابدهندهي ذرات براي بررسي مکانيزم چرخهي ديگر سيستمهاي باتري هم استفاده کرده است. جستوجوي افزودنيهاي رسانا به باتريهاي ليتيوم سولفور متمرکز بر سولفيدهاي فلزي با حالت گذار پايدارتر هم است که ميتوان به تيتانيوم ديسولفيد (TiS2) اشاره کرد، در اين ترکيب هيچ تجزيهي يوني Ti در طول تخليهي شارژ يا شارژ سلول مشاهده نميشود. براي ديدن مطالب جذاب و داغ اين لينک را لمس کنيد ↓↓↓ : «هدايت به کانال آي تي»