استفاده از سولفور در باتری های لیتیومی، تحقیقات بسیاری در زمینه باتری ها، طول عمر آنها و کاهش آلودگی های ناشی از آنها انجام شده و در حال حاضر هم مطالعات زیادی در حال انجام است. یکی از مواردی که محققان در حال کار بر روی آن هستند، استفاده از سولفور در باتری های لیتیومی است. با ما همراه باشید تا بیشتر با این موضوع آشنا شوید.
استفاده از سولفور در باتری
باتری‌های لیتیوم-سولفور امید بعدی ما برای استفاده در خودروهای برقی هستند. در این باتری‌ها، بیشتر کاتد از سولفور ساخته شده است. سولفور یک پسماند صنعتی ارزان و فراوان است که به محیط‌زیست ضرر نمی‌رساند. آند این باتری‌ها هم از لیتیوم ساخته می‌شود. یون‌های لیتیوم به هنگام تخلیه‌ی شارژ باتری از آند جدا می‌شوند و از طریق الکترولیت مایع به کاتد سولفوری می‌رسند. آن‌جا یون‌های لیتیوم با اتم‌های سولفور پیوند کوالانسی ایجاد می‌کنند. هرکدام از اتم‌های سولفور به جای یک یون لیتیوم به دو یون لیتیوم متصل می‌شود و در نتیجه تعداد پیوندها در کاتد دوبرابر می‌شود. پیوند شیمیایی بیشتر، به معنی ذخیره‌ی بیشتر انرژی است و در نتیجه باتری‌های لیتیوم-سولفور بیشتر از باتری‌های لیتیوم-یون ظرفیت دارند. در ضمن از آن‌جا که سولفور سبک‌وزن است، تولیدکنندگان می‌توانند به ازای هر گرم، پنج‌برابر انرژی بیشتری ذخیره کنند. در کل باتری‌های لیتیوم-سولفور می‌توانند خیلی سبک‌تر ساخته شوند.
اگر در خودروهای برقی از باتری‌های لیتیوم-سولفور استفاده کنیم می‌توانیم بُرد آنها را به ۸۰۰ کیلومتر افزایش دهیم. البته پژوهشگران اول باید از پس مشکل عمر کوتاه این باتری‌ها بر بیایند. مشکلی که طبق گفته‌ی کِرَب‌تری بر اثر از بین رفتن لیتیوم و سولفور در هر بار شارژ و تخلیه‌ی شارژ بوجود می‌آید.
وقتی لیتیوم با سولفور ترکیب می‌شود، ترکیبی به نام پلی‌سولفید بوجود می‌آید که خیلی سریع فضای داخلی باتری را پر می‌کند. پلی‌سولفیدها به هنگام تخلیه‌ی شارژ باتری روی کاتد تشکیل می‌شوند. وقتی این ترکیبات در الکترولیت مایع باتری حل می‌شوند، به سوی آند می‌روند و با آن واکنش می‌دهند. در نتیجه‌ی این واکنش فیلمی بوجود می‌آید که طی چند ده‌بار شارژ و تخلیه‌ی شارژ باتری یعنی تقریبا یکی دو ماه استفاده، آن را بلااستفاده می‌کند.
گروهی به رهبری «کوین زاوادیل» (Kevin Zavadil) در آزمایشگاه‌های ملی ساندیا درحال تلاش برای جلوگیری از تشکیل پلی‌سولفیدها در الکترولیت هستند. الکترولیت حاوی نمک و یک حلال است. باتری‌های لیتیوم-سولفور کنونی برای اینکه طول عمر متوسط داشته باشند نیاز به الکترولیتی با حجم خیلی زیاد دارند. زاوادیل و گروهش می‌خواهند الکترولیتی بسازند که سولفور را کمتر در خود حل کند و میزان تشکیل پلی‌سولفید را هم به حداقل برساند.
زاوادیل می‌گوید: «ما ایده‌هایی درباره‌ی چگونگی استفاده از غشاها برای حفاظت از سطح لیتیوم در برابر پلی‌سولفیدها داریم.» هدف این است که تا آخر سال ۲۰۱۷ نمونه‌ای آزمایشی از این باتری بسازند که برای هزاران بار شارژ و تخلیه دوام داشته باشد.
یک مهندس مواد به نام «گیهوآ یو» (Guihua Yu) از دانشگاه آستین در تگزاس با همکارانش در دانشگاه صنعتی چجیانگ هانگژو چین در حال کار کردن روی روشی تازه در ساخت باتری‌های لیتیوم-سولفور است. آنها می‌خواهند کاتد سولفور معمولی را با ساختاری ظریف که سولفور را در آرایه‌ای از نانوتیوب‌ها در بر می‌گیرد جایگزین کنند. آن‌طور که در شماره‌ی نوامبر ۲۰۱۶ نشریه‌ی Nano Letters منتشر شده، نانوتیوب‌هایی که سولفور را در بر می‌گیرند از منگنز دی‌اکسید ساخته شده‌اند. ماده‌ای که می‌تواند پلی‌سولفیدها را جذب کند و آنها را نگه دارد. نانوتیوب‌ها با پلی‌پیرول اندود می‌شوند. پلی‌پیرول یک پلیمر رسانا است که به افزایش جریان الکترون‌ها کمک می‌کند.
این روش باعث جلوگیری از تجمع پلی‌سولفید در باتری می‌شود و در کل بازدهی باتری را افزایش می‌دهد. اکنون ساختارهای بوجود آمده‌ی جدید باعث شده‌اند باتری‌های لیتیوم-سولفور در هر بار شارژ و تخلیه‌ی شارژ کمتر از ۰٫۰۷ ظرفیت خود را از دست بدهند. بعد از ۵۰۰ بار شارژ و تخلیه، باتری ۶۵ درصد از ظرفیت اصلی خود را حفظ کرد. این پیشرفتی بزرگ در فناوری ساخت باتری لیتیوم-سولفور به حساب می‌آید. البته این مقدار هنوز فاصله‌ی زیادی تا باتری‌هایی دارد که می‌خواهیم در خودروها به کار ببریم و قرار است ۱۰ تا ۱۵ سال و برای هزاران سیکل شارژ و تخلیه‌ی شارژ کار کنند.
