باتری لیتیم سولفور به دلیل ظرفیت بسیار بالای آن (1675mAh/g) مورد استقبال دانشمندان در سرتاسر جهان است اما به دلیل چالش‌هایی که دارد، صنعتی شدن این نوع از باتری‌ها به تاخیر افتاده است. علاوه بر ظرفیت بالای کاتد سولفور، این ساختار، یک عنصر ارزان قیمت و غیر سمی است که در طبیعت به مقدار فراوانی یافت می‌شود. در صورت بر طرف شدن چالش‌های باتری لیتیم سولفور، جهش بسیار بزرگی در صنعت انرژی رخ خواهد داد که می‌تواند نوید بخش ذخیره‌ی بیشتر انرژی در ابعاد کوچک‌تر باشد.

یکی از مهم‌ترین مشکلات کاتد سولفور، حل شدن پلی سولفیدها (ترکیبات لیتیم‌دار شده‌ی سولفور) در داخل الکترولیت است که باعث از دست رفتن ماده‌ی فعال در درون باتری می‌شود و افت ظرفیت شدیدی بر باتری تحمیل می‌گردد. این حل شدن موجب نفوذ پلی سولفید‌ها به سمت آند می‌شود که به آن اثر شاتل می‌گویند. از دیگر مشکلات سولفور، هدایت الکتریکی بسیار پایین این عنصر است که واکنش پذیری آن را کاهش داده است. همچنین سولفور با شارژ و دشارژ شدن از الکترود جدا می‌شود که باید با راهکاری جلوی این جدا شدن را گرفت.

به تازگی محققان دانشگاه شانگهای چین، با ابداع ساختاری جدید موسوم به پلامر (ساختار لوله‌ای شکل)، عملکرد باتری‌های لیتیم سولفور را به طور چشم‌گیری بهبود بخشیدند. در شکل زیر نحوه‌ی سنتز ساختار مورد نظر بیان شده است. در این روش آن‌ها ابتدا به کمک پلیمر‌ها، ساختاری کروی ساختند که بدنه‌ی تشکیل دهنده‌ی آن، لوله‌های توخالی است که قرار است با مواد کربنی پر شود. این ساختار در شکل با عبارت DP-PC معرفی شده است.

سپس آن‌ها این ساختار را با ماده‌ای که حاوی عنصر آهن است، به درون ساختار اولیه نفوذ داده و تمامی تخلخل‌های DP-PC از ماده‌ی MPN پر خواهد شد. از ویژگی‌های ماده‌ی MPN، تبدیل راحت آن به اکسید آهن است که برای این مقاله بسیار مفید واقع شده است. این ماده غیر سمی است که باعث می‌شود فرایند سنتز راحت‌تر انجام گردد. بعد از انجام عملیات حرارتی در دمای 800 درجه، ساختار نهایی به دست می‌آید که از کربن و اکسید آهن تشکیل شده است.

نحوه‌ی سنتز بستر سولفور با ساختار پلامر

ساختار نهایی با نام SP-Fe₃O₄-C معرفی شده است که قرار است سولفور در درون آن ذخیره گردد. این ساختار نفوذ سولفور به درون خود را بسیار بهبود داده که در مقایسه با سایر ترکیبات متخلخل در سایر مقالات، بسیار مفید واقع شده است. شکل زیر تصاویر میکروسکوپ SEM و TEM برای ساختار نهایی آورده شده است. مشاهده می‌شود که ابعاد کره‌ها بیشتر در محدوده‌ی 2.3 میکرومتر بوده و تراکم قابل قبولی برای الکترود به ارمغان آورده است. در این شکل، پخش‌شدگی نانوذرات اکسید آهن بسیار یکنواخت دیده‌ می‌شود (شکل سمت راست) و ابعاد هر کدام از نانوذرات اکسید آهن، تقریبا 22 نانومتر است.

تصاویر میکروسکوپی از بستر SP-Fe3O4-C قبل از ورود سولفور

بعد از ساخت این بستر، مرحله‌ی نفوذ سولفور با روش ذوبی، انجام می‌شود. در این روش، سولفور با بستر ترکیب شده و این دو اجزا در دمای 155 درجه حرارت می‌بینند و به این ترتیب، سولفور به داخل ساختار به طور یکنواخت نفوذ می‌کند. نفوذ یکنواخت به دلیل یکنواختی در پخش بودن اکسید آهن است که این مقاله به آن اهمیت زیادی داده است. در شکل زیر، تصاویر میکروسکوپ الکترونی برای حالات مختلف آمده است. در تصویر سمت چپ، اکسید آهن از ساختار حذف گردیده تا مقدار تخلخل نشان داده شود و در دو تصویر سمت راست، نفوذ سولفور به خوبی مشخص شده است. با مقایسه‌ی این تصاویر، مشخص می‌شود که سولفور داخل ساختار را به طور کامل پر کرده است و طبق ادعای نویسندگان مقاله، مقدار سولفور قرار رفته در این الکترود، به مقدار 75 درصد وزنی و 8.2mg/cm²  است که مقدار بسیار بالایی است.

تصاویر میکروسکوپی از بستر SP-Fe3O4-C بعد از ورود سولفور و بعد از حذف اکسید آهن

شکل زیر به طور گرافیکی، جذب پلی‌سولفیدها را نشان می‌دهد که این جذب طبق گفته‌ی مقاله به دلیل ماهیت قطبی بودن اکسید آهن به دست آمده زیرا پلی‌سولفیدها توسط مواد قطبی جذب خواهند شد و به درون الکترولیت نفوذ نمی‌کنند. در این شکل، محلول حاوی پلی‌سولفید در معرض مواد گوناگون قرار گرفته است و مشاهده می‌شود که برای الکترود طراحی شده، محلولی شفاف و بدون رنگ به دست آمده است که بیانگر جذب بالای پلی‌سولفیدها توسط ساختار پیشنهادی است.

نحوه‌ی جذب پلی‌سولفیدها توسط بستر

شکل زیر دو خاصیت فوق‌العاده‌ی این بستر را نشان می‌دهد. در این تصویر مشاهده می‌شود که به دلیل ماهیت کربنی، الکترون‌ها به راحتی در دسترس سولفور قرار می‌گیرد تا بتواند به راحتی به پلی‌سولفید تبدیل شود. همچنین به دلیل یکنواختی در پخش شدن نانوذرات اکسید آهن، جذب سولفور یکنواخت رخ داده است و این یکنواختی، افت ظرفیت را در سیکل‌های ابتدایی کاهش خواهد داد. نانوذرات اکسید آهن، علاوه بر جذب پلی‌سولفیدها به عنوان کاتالیست نیز عمل می‌کنند تا فرایند تبدیل سولفور به پلی‌سولفید سرعت گیرد.

دو خاصیت مهم برای بستر SP-Fe3O4-C

یکی دیگر از مزایای بستر طراحی شده، نفوذ الکترولیت به درون ساختار است. در واقع این نفوذ به راحتی اتفاق می‌افتد و یون‌های لیتیم به راحتی در اختیار سولفور قرار می‌گیرد. شکل زیر این واقعیت را به طور گرافیکی نشان داده است. در واقع برای ساخت الکترود‌ کاتد، کره‌های سنتز شده بر روی هم قرار خواهند گرفت که اگر تخلخل کافی در این کره‌ها وجود نداشته باشد، یون‌های لیتیم، به انتهای الکترود نمی‌رسند و از حداکثر ظرفیت کاتد استفاده نمی‌شود. این ساختار یک ساختار ایده‌ال برای کاتد‌های سولفور است و باید از ایده‌های آن استفاد کرد.

تاثیر تخلخل بالا بر روی نفوذ بهتر یون لیتیم در الکترودهای ضخیم

در انتها محققان کاتد ساخته شده را به تعداد 1200 سیکل شارژ و دشارژ کردند که برای باتری‌های لیتیم سولفور بسیار عدد بالایی است و نسبت به سایر کارهای انجام شده افت کمتری به دست آمد. این دانشمندان، کار انجام شده را با سایر مقالات مشابه در پنج سال اخیر مقایسه کردند که عملکرد آن در شکل زیر به صورت خلاصه نشان داده شده است. در این شکل نمودار قرمز رنگ مربوط به این تحقیق است و مشاهده می‌گردد که تقریبا در تمام پارامتر‌ها، الکترود بسیار خوب عمل کرده است. سایر کارهای انجام شده با رنگ‌های دیگر به نمایش در آمده است.

تست شارژ و دشارژ برای الکترود ساخته شده و مقایسه‌ی آن با سایر کارهای مشابه

منبع:

https://www.nature.com/articles/s41467-024-49826-5

Fe3O4-doped mesoporous carbon cathode with a plumber’s nightmare structure for high-performance Li-S batteries