مادة جديدة في بطاريات الليثيوم تساعد في تحقيق وقت شحن أقصر وعمر أطول للبطارية؟

هناك العديد من الأبحاث لتطوير تقنيات التخزين الكيميائي بالبطاريات التي لاتعتمد على عناصر ثمينة في الطبيعة. ومن أهم التقنيات التي يعول عليها الباحثون هي بطاريات الليثيوم-كبريت (Li-S) وبالرغم من فعاليتها و إمكانية تصنيعها من مواد متوفرة في الطبيعة إلا أن إحدى المشاكل الرئيسية المتعلقة بها هو عدم إمكانية إعادة شحنها لمرات عديدة لجعلها قابلة للتطبيق تجاريًا وعلى مستوى واسع. ويعود السبب الرئيسي في هذا إلى تكون طبقة بولي كبريتيد الليثيوم أثناء عملية التصنيع وهي السبب الرئيسي في التدهور السريع لقدرتها وكفاءتها.

ولهذا السبب طور علماء يابانيون من معهد أوكيناوا للعلوم والتكنولوجيا بجامعة الدراسات العليا مادة جديدة من أكسيد التيتانيوم (TiO2) ونتريد التيتانيوم (TiN) لمنع تكوين طبقة البولي كبريتيد polysulfides أثناء عملية التصنيع. الأمر الذي يساعد هذا النوع من البطاريات بالاحتفاظ بنسبة 85٪ من سعتها بعد 500 دورة عند 2 درجة مئوية.

Hui Zhang, nature communications, 2021©

رسم توضيحي يوضح عملية تصنيع طبقة الطلاء من مادتي TiN – TiO2 وعملية التحفيز الخاصة بها لتخلص من polysulfide.

الجدير بالذكر أن مادة أكسيد التيتانيوم TiO2 ستقوم بامتصاص طبقة polysulfides غير المرغوب فيها ، بينما ستعمل مادة نتريد التيتانيوم  TiN على تسريع عملية الامتصاص. حيث يتم طلاء إطار أنابيب الكربون النانوية بـ 10 نانومتر من TiN و 5 نانومتر من مادة TiO2 مما يشكل بنية و مزيج متباين من  TiN-TiO2  والذي يتمتع بقدرة تحفيزية عالية تساهم في رفع كفاءة البطاريات حيث يساعدها في تحقق أداء كهروكيميائي عالي و بسعة كبيرة تبلغ 1289 مللي أمبير في الساعة عند درجة مئوية واحدة. وهذا الأمر يؤكد مساهمة هذه المادة في تحقيق أوقات شحن أقصر و عمر افتراضي أطول لبطاريات الليثيوم الكبريتية.

رابط البحث العلمي للمطالعة

Long-life lithium-sulfur batteries with high areal capacity based on coaxial CNTs@TiN-TiO2 sponge