جامعة فاندربيلت الأمريكية وغيرها تطور بطارية ليثيوم-كبريت تخزن أكثر من 1700 واط/ساعة لكل كيلوغرام من الكبريت

أخبار ar.wedoany.com، طوّر فريق بحثي من جامعة فاندربيلت (Vanderbilt University) وجامعة ماريلاند (University of Maryland) في الولايات المتحدة نظاماً كيميائياً جديداً لبطاريات الليثيوم-كبريت، يُدخل عنصر الكلور ليجعل ذرة الكبريت تتبادل إلكتروناً إضافياً خلال عمليتي الشحن والتفريغ، مما رفع سعة تخزين الشحنة للكبريت بنحو 58%، وارتفع متوسط جهد التشغيل من حوالي 2.05 فولت إلى 2.54 فولت.

يتميز الكبريت بوفرة احتياطياته وانخفاض تكلفته نسبياً، كما أن سعة تخزين الطاقة لديه مقارنةً بالوزن أعلى بكثير من المواد الشائعة الاستخدام في الأقطاب الموجبة لبطاريات الليثيوم-أيون، ولذلك يُعد أحد البدائل المحتملة لمواد القطب الموجب. غير أن جهد التشغيل في الأنظمة الكيميائية التقليدية لليثيوم-كبريت منخفض نسبياً، مما يحول دون الاستفادة من جزء من قدرة الكبريت على الأكسدة والاختزال.

قال De-en Jiang، الأستاذ في كرسي H. Eugene McBrayer للهندسة الكيميائية وأستاذ الكيمياء في جامعة فاندربيلت، إن النهج التقليدي لبطاريات الليثيوم-كبريت يترك جزءاً من قدرة الكبريت على الأكسدة والاختزال معطلاً، وإن الفريق البحثي يسعى إلى توسيع هذه القدرة لاستخدامها في تخزين طاقة أكبر. ففي بطاريات الليثيوم-كبريت التقليدية، تتبادل كل ذرة كبريت إلكترونين فقط خلال الشحن والتفريغ؛ أما بعد إدخال الكلور، تمتد هذه العملية ليتمكن الكبريت من تبادل إلكترون ثالث.

يحدث التفاعل الإضافي عند جهد أعلى، وترتفع سعة تخزين الشحنة والجهد في آنٍ واحد، إذ يمكن تخزين أكثر من 1700 واط/ساعة من الطاقة لكل كيلوغرام من الكبريت في الخلية التجريبية.

ولجعل هذا التفاعل الإضافي قابلاً للعكس، يتعين حل مشكلة أخرى: فعند الشحن يتفاعل الكلور مع الكبريت، وفي الوقت نفسه يجب ألا تنتقل مركبات الكبريت-كلور المتولدة داخل البطارية وتتفاعل مع قطب الليثيوم المعدني. استخدم الفريق المحاكاة الجزيئية لدراسة سلوك أيونات الليثيوم وأيونات الكلور في إلكتروليتات مختلفة، وصمم بناءً على ذلك إلكتروليتاً يُبقي الكلور مشاركاً في تفاعل الكبريت، واختار إلكتروليتاً لا تذوب فيه نواتج تفاعل الكبريت-كلور بسهولة، بحيث تبقى هذه المادة داخل القطب الموجب ويصبح التفاعل قابلاً للعكس عند التفريغ. وأكدت تقنيات طيفية متعددة لاحقاً أن الكبريت يدخل بشكل متكرر في هذه الحالة الكيميائية المكتسبة حديثاً خلال عمليتي الشحن والتفريغ.

كما صنع الباحثون خلية كيسية صغيرة أحادية الطبقة للتحقق من أداء هذا النظام الكيميائي خارج نطاق الخلايا الزرارية الشائعة الاستخدام في البحوث المبكرة للبطاريات. وحافظت هذه الخلية الكيسية على 78% من سعتها بعد 100 دورة شحن وتفريغ.

لا تزال هذه التقنية في مرحلة التحقق المبكر، إذ يستخدم النموذج الأولي قطب ليثيوم معدني، وكمية الكبريت فيه محدودة نسبياً، كما أن كمية الإلكتروليت تتجاوز المستوى المثالي للبطاريات التجارية. وبعد الأخذ في الاعتبار المكونات الرئيسية للبطارية وليس القطبين فقط، قدّر الباحثون أن هذا الحل يمكن أن يحقق كثافة طاقة نوعية على مستوى الحزمة تبلغ 477 واط/ساعة/كيلوغرام، وهو أعلى بنحو 37% من نظام الليثيوم-كبريت التقليدي المستخدم للمقارنة في الدراسة.

نُشرت نتائج البحث ذات الصلة في مجلة «نيتشر إنرجي» (Nature Energy).