پلیمرها در باتری لیتیوم - گوگرد

عملکرد پلیمرها در باتری های لیتیوم-گوگرد

باتری‌ های لیتیوم-گوگرد (LSB) به دلیل چگالی انرژی فوق العاده بالا، مقرون به صرفه بودن و زیست سازگاری به عنوان یکی از منابع تغذیه نسل بعدی برای پرتابل های الکترونیکی و الکتریکی محسوب می شوند که نوید بخش پیشرفت در آینده نیز هستند. با این حال، کاربرد عملی آنها به دلیل وجود موانعی مانند عایق الکترونیکی گوگرد و واسطه های آن، اثر شاتل جدی، تنوع حجمی زیاد و تشکیل غیرقابل کنترل دندریت های لیتیوم با مشکل مواجه شده است. در طول دهه‌ های گذشته، بسیاری از استراتژی‌ های پیشگام با هدف رسیدگی به این مسائل از طریق بهبود الکترودها، الکترولیت‌ ها، جدا کننده ‌ها و بایندرها توسعه یافته‌ اند. جالب اینکه پلیمرها را می توان به راحتی به دلیل طراحی ساختاری، تطبیق پذیری عملکردی، ثبات بالای مواد شیمیایی و قابلیت پردازش در تمام این جنبه ها به کار برد. علاوه براین، ساخت LSB ها به علت سبک وزن بودن و داشتن چگالی بالای انرژی بالا هزینه کمتری در بر دارد. با کمال تعجب، مطالعات اندکی در مورد توسعه پلیمرها در LSB ها انجام شده است. در اینجا، به بررسی پیشرفت ها و چشم اندازهای آینده در زمینه توسعه پلیمرها در LBS ها پرداخته ایم. همچنین بر کابرد اخیر پلیمرها در هر جزء از LBS ها نیز با تاکید بر مکانیسم های ذاتی زیربنای عملکردهای خاص آنها تاکید شده است. این مطالعه یک نمای کلی از پلیمرهای پیشرفته برای LBS ها، نتایج حاصل از رسیدگی به چالش های کلیدی و همچنین منابع مهم برای محققانی که روی سیستم های انرژی الکتروشیمیایی کار می کنند فراهم می کند.

توسعه سریع اقتصادی و اجتماعی و افزایش مصرف انرژی باعث بحران آلودگی شدید محیط زیست و انرژی شده است. فناوری های انرژی تجدید پذیر مانند باد و انرژی خورشیدی جدا از انرژی فسیلی متعارف، کمبود انرژی در کوتاه مدت را به حداقل رسانده اند. با این حال، چنین منابع انرژی به دلیل سازگاری متناوب با شرایط طبیعی و جغرافیایی دستیابی به عرضه پایدار را غیرممکن می سازند. در پاسخ به این وضعیت، فناوری های انرژی الکتروشیمیایی به ویژه باتری های لیتیوم-یون قابل شارژ (LIB)، در دهه های گذشته در پرتابل های الکترونیک مورد توجه قرار گرفته و با موفقیت پیاده شده اند. LIB های تجاری در قیاس با وسایل نقلیه الکتریکی نوظهور (EV) نمی توانند به دلیل دارا بودن چگالی انرژی کمتر از 260 وات ساعت/کیلوگرم تقاضا را تامین کنند. مهم ترین مانع برای این کار محدودیت اینترکلیشن مواد کاتدی اینترکلیشن مانند LifePO₄ و LiCoO₂ است. ظرفیت های آنها بی نهایت به مقادیر نظری نزدیک است بدون اینکه به بهبود بیشتری نیاز داشته باشند. بنابراین، افزایش قابل توجه چگالی انرژی LIB های موجود از نظر مواد الکترود دشوار است. کشف پیکربندی باتری جدید از LIB ها برای توسعه نسل بعدی باتری های انرژی بالا ضروری است. بر همین اساس، باتری های لیتیوم-گوگرد (LSB) بر پایه کاتدهای گوگرد به دلیل چگالی انرژی بسیار بالای آنها (بیشتر از 2600 وات ساعت/کیلوگرم) علاقه دانشگاه ها و صنایع را برانگیخته اند. ظرفیت بالای (1675 میلی آمپر ساعت) گوگرد عنصری کمبود ولتاژ آن را به طور کامل جبران می کند. علاوه براین، فراوانی منابع طبیعی و مقرون به صرفه بودن گوگرد همچنین امکان استفاده از LSB ها در مقیاس بزرگ را فراهم می کند. در واقع، مفهوم LSB در اوایل دهه 1960 پیشنهاد شد و شیمی نیز در چند سال گذشته به طور سیستماتیک در چند دهه گذشته مورد مطالعه قرار گرفت. متأسفانه، توسعه LSB ها به دلیل چرخه حیات نامطلوبی که دارند، محدود است و در نتیجه، تجاری سازی آنها ناموفق مانده است.

"اثر شاتل" ناشی از انحلال واسطه های پلی سولفیدهای لیتیوم (LiPS) در الکترولیت های آلی است و علت پایداری ضعیف چرخه پذیری آنها باید مهاجرت آنها از کاتد به آند دانست. علاوه براین، مهاجرت LiPS های حل شده ممکن است حتی در حالت ذخیره و استراحت باعث خود-تخلیه شوند. در همین حال، عایق الکترونیکی ذاتی گوگرد و محصولات تخلیه شده از سولفید لیتیوم (Li₂S) همچنین منجر به مصرف کم گوگرد و قابلیت تضعیف نرخ می شوند. علاوه براین، کاتدهای گوگرد مبتنی بر مکانیزم تبدیل در طول فرآیندهای شارژ/دشارژ به شدت افزایش می یابند (80 درصد) و این باعث پودر شدن مواد فعال و ریزش کالکتور فعلی می شود. البته مشکل ایمنی ناشی از دندریت های لیتیوم در آند فلزی لیتیوم نیز نادیده گرفته می شود. برای غلبه بر چالش های فوق، ساخت کاتدهای کامپوزیت گوگرد به منظور افزایش رسانش الکترونیکی، تطبیق پذیری با تغییر حجم و سرکوب اثر شاتل بسیار مهم است. در سال های گذشته، اکثر تحقیقات LSB ها بر طراحی و اصلاح کاتدهای گوگرد متمرکز بودند. از آنجایی که جی و همکارانش در سال 2009 کاتد کامپوزیت کربن/گوگرد را با استفاده از کربن مزوپور به عنوان حامل گوگرد در سال 2009 گزارش کردند، بسیاری از کاتدهای کامپوزیت گوگرد با مواد کربنی، ترکیبات فلزی و فریمورک های فلز-آلی به عنوان حامل اخیراً مورد بررسی قرار گرفته اند. ساختارهای کربن نه تنها می توانند رسانش الکترونیکی در کاتد گوگرد را ارتقا دهند، بلکه محدودیت فضایی مواد فعال و LiPS را در نانوحفره ها نشان می دهند. با این وجود، سطوح اینرت و خواص غیرقطبی اکثر حامل های کربن فراهم کردن سایت های پیوند شیمیایی به گوگرد پشتیبان را دشوار می سازد. برهمکنش ضعیف مبتنی بر جذب فیزیکی برای مهار انحلال LiPS کافی نیست. از ترکیبات قطبی حاوی فلز نیز به عنوان حامل گوگرد استفاده می شوند که می توانند به دلیل سطح "گوگرد دوست" خود در LiPS ها به طور شیمیایی لنگر بیاندازند. با این حال، ترکیب ترکیبات فلزی چگالی انرژی الکترود را کاهش می دهد. شارژ گوگرد بالا به دلیل سایت های جذب ناکافی آنها دشوار است. علاوه بر ساخت کاتدهای کامپوزیت گوگردی، اصلاح بایندرها و طراحی جداکننده‌ های چند منظوره، معرفی فازهای میانی بین کاتد و جداکننده، و طراحی الکترولیت جامد همچنین برای سرکوب اثر شاتل از اهمیت زیادی برخوردار هستند و عملکرد الکتروشیمیایی LSB ها را بهبود می بخشد.

در حال حاضر، استفاده از پلیمرها به دلیل دسترسی فراوانی، سبک وزن بودن، ساختارهای مولکولی متعدد و گروه‌ های عاملی قابل تعریف در ساخت LSB بسیار مورد توجه است. پلیمرها نمی توانند به عنوان حامل های گوگرد عنصری عمل کنند بلکه مستقیماً به عنوان مواد فعال مانند ارگانوگوگرد عمل می کنند. همچنین در مقایسه با حامل های کربن غیرقطبی برای استفاده از مواد معمولی، پلیمرهای به کار رفته در گروه‌ های عملکردی قطبی تقویت می شوند. بنابراین، سایت های پیوند شیمیایی فراوان و میل ترکیبی قوی‌ تری به LSB ها نشان می‌ دهند.

نتیجه گیری

LSB ها به عنوان یکی از امیدوارکننده ترین باتری های ثانویه نسل بعدی شناخته شده اند. با این حال، تجاری سازی موفقیت آمیز آنها به دلیل انحلال پلی سولفیدها، رسانش الکترونیک ضعیف و تغییر حجم عظیم کاتدهای گوگرد با پایداری چرخه ضعیف مواجه است. علیرغم پیشرفت های مهمی که در چند دهه گذشته به دست آمده است، عملکرد الکتروشیمیایی LSB ها همچنان به بهبود تمام اجزای باتری نیاز دارد. به ویژه اینکه پلیمرها منعکس کننده چشم انداز امیدوارکننده ای از LSB به دلیل قابلیت طراحی ساختاری و تنوع عملکردی آنها هستند. در اینجا، به بحث در مورد اصول کاری و چالش های LSB ها، پیشرفت های جدید در کاربردهای پلیمری در LSB ها از لحاظ کاتدهای گوگرد، بایندرها، اینترفازهای بین کاتد و جداکننده، جداکننده ها و الکترولیت ها می پردازیم. کاتدهای پلیمری من جمله کاتدهای موجود در پلیمرهای ارگانوسولفور و حامل های پلیمری برای گوگرد نیز از دیدگاه مهندسی مولکولی مورد بحث قرار گرفته اند.