جامعة توهوكو اليابانية تطور مادة هجينة من الإطارات العضوية التساهمية والجرافين لتحسين أداء بطاريات الليثيوم-الكبريت

أخبار ar.wedoany.com، طور فريق بحثي من جامعة توهوكو (Tohoku University) ومؤسساتها الشريكة مادة هندسية جزيئية جديدة تهدف إلى معالجة ظاهرة تأثير المكوك متعدد الكبريتيدات المستمرة في بطاريات الليثيوم-الكبريت، مما يدفع هذه التقنية خطوة أقرب نحو التسويق التجاري.

تتميز بطاريات الليثيوم-الكبريت بكثافة طاقة نظرية عالية وتكلفة منخفضة، إلا أن كبريتيد الليثيوم متعدد الكبريتيدات القابل للذوبان الناتج أثناء التشغيل يهاجر من كاثود الكبريت إلى أنود الليثيوم، مما يؤدي إلى فقدان المواد النشطة وتفاعلات جانبية وتفريغ ذاتي وتدهور سريع في السعة. ينشأ تأثير المكوك هذا من التفاعلات الكيميائية الذاتية للبطارية، وقد أضرت محاولات سابقة لاستخدام حواجز فيزيائية بأداء البطارية.

لمواجهة هذا التحدي، أنشأ الفريق إطارًا عضويًا تساهميًا (COF) من نوع رباعي الثيافولفالين-إيثر التاجي أُطلق عليه اسم TUS-44، ودمجه مع الجرافين الموصل لتشكيل طبقة وظيفية TUS-44@G. يحتوي هذا الإطار على مواقع نيتروجين إيميني وأكسجين إيثر التاجي ومواقع غنية بالكبريت من رباعي الثيافولفالين، مما يوفر مواقع تفاعل هرمية لكبريتيد الليثيوم متعدد الكبريتيدات، بينما يوفر مكون الجرافين مسارًا فعالًا لنقل الإلكترونات. كان هدف الفريق تصميم طبقة وسيطة لا تمنع متعدد الكبريتيدات فحسب، بل تدير أيضًا مسارات تفاعلها بنشاط.

في اختبارات البطارية، أظهرت البطاريات المزودة بطبقة TUS-44@G سعة عكسية عالية، حيث بلغت 1455.7 مللي أمبير/ساعة لكل غرام عند كثافة تيار 0.2 أمبير/غرام⁻¹، وحافظت على أداء معدلي قدره 773 مللي أمبير/ساعة لكل غرام عند 10 أمبير/غرام⁻¹، وبعد 1000 دورة عند 5 أمبير/غرام⁻¹، بلغ تدهور السعة لكل دورة 0.034% فقط. أما بطاريات الليثيوم-الكبريت من النوع الكيسي التي تستخدم نفس الطبقة الوسيطة، فقد حققت كثافة طاقة ابتدائية تبلغ حوالي 674 واط/ساعة لكل كيلوغرام عند 0.05 أمبير/غرام⁻¹.

أشار الباحثون إلى أن مواد الإطارات العضوية التساهمية يمكن بناؤها بدقة على المستوى الجزيئي، ويمكن برمجة مسامها المرتبة دوريًا للتحكم في الحجم والبيئة الكيميائية والخصائص الإلكترونية، مما يتيح احتجاز وتوصيل وتحفيز أنواع الكبريت في وقت واحد. وأوضح الأستاذ المشارك سايكات داس من معهد الأبحاث متعددة التخصصات للمواد المتقدمة (Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials) بجامعة توهوكو أن هدف الفريق هو تصميم طبقة وسيطة تدير مسارات تفاعل متعدد الكبريتيدات بنشاط. وأشار الأستاذ يويشي نيجيشي من جامعة توهوكو إلى أن هذه الدراسة تُظهر إمكانات الكيمياء الشبكية (reticular chemistry) في برمجة واجهات البطاريات على المستوى الجزيئي، وأن تصميم TUS-44@G يوفر مسارًا لبطاريات الليثيوم-الكبريت خفيفة الوزن ومتينة وعالية المعدل من خلال توحيد تثبيت متعدد الكبريتيدات وتحفيز تحويل الكبريت.