دانشمندان بهصورت کاملا اتفاقی روشی غیرمنتظره در استفاده تجاری از یک کشف بزرگ در فناوری باتری پیدا کردند که ظرفیت نسل جدید رباتها و خودروهای برقی دوربرد را گسترش میدهد.
مهندسان دانشگاه درکسل در فیلادلفیا حین کار روی یک راهحل دیگر برای افزایش کارایی باتریهای لیتیوم-گوگردی [لیتیوم-سولفوربهاصطلاح Li–S battery] اتفاقی با این روش مواجه شدند. از باتریهای لیتیوم-سولفور اغلب با عنوان «رویای دست نیافتنی» باتریها یاد میشود، چرا که این باتریها در مقایسه با باتریهای معمولی لیتیومی-یونی ظرفیت بهبودیافتهتری نشان میدهند.
ظرفیت بالقوه شارژ باتریهای لیتیوم-گوگرد در مقایسه با باتریهای لیتیومی-یونی، که در هر چیزی از گوشیهای هوشمند گرفته تا خودروهای برقی یافت میشوند، سه برابر بیشتر است. اما ناپایداری ذاتی آنها تاکنون باعث میشد در کاربردهای تجاری نامناسب باشند، زیرا باتریهای لیتیوم-سولفور در هر چرخه شارژ ۷۸ درصد تغییر اندازه میدهند.
غلبه بر این مشکل نه تنها عملکرد دستگاههای باتریدار را بهبود اساسی میبخشد، بلکه برخی از نگرانیهای زیستمحیطی در مورد باتریهای لیتیومیـیونی از جمله تامین منابع و دفع مواد خام کمیاب را نیز برطرف میکند.
تیم تحقیقاتی در درکسل به دنبال روشهایی برای طراحی دوباره کاتد باتریها بود تا از واکنشهای شیمیایی مخربی که طی فرایند شارژ رخ میدهد، ممانعت کند. اما در عوض کشف کرد که یک فاز نادر شیمیایی از سولفور (گوگرد) هست که از واکنش جلوگیری میکند.
این کشف از تشکیل ترکیبهای شیمیایی که با عنوان پلیسولفیدها شناخته میشوند جلوگیری و گوگرد را به چیزی که فاز گاما مونوکلینیک گوگرد نامیده میشود، تبدیل میکند که پیشتر فقط در آزمایشگاه و در دماهای بالا ممکن بود.
راهول پای، یکی از نویسندگان این پژوهش که در مجله نیچر «کامیونیکیشنز کمیستری» منتشر شد، میگوید: «باورش در ابتدا دشوار بود که این همان است که در پی کشفش بودیم، زیرا گوگرد مونوکلینیک در تمام پژوهشهای پیشین در [دماهای] پایینتر از ۹۵ درجه سانتیگراد ناپایدار بود.»
«در قرن گذشته، تنها تعداد معدودی مطالعه انجام شد که گوگرد گاما مونوکلینیک تولید کرد و [این ماده] حداکثر به مدت ۲۰ تا ۳۰ دقیقه پایدار بود؛ اما ما آن را در یک کاتد ایجاد کردیم که هزاران چرخه شارژ-تخلیه را بدون کاهش کارایی انجام میداد؛ و بررسی ما پس از یک سال نشان میدهد که فاز شیمیایی به همان شکل باقی مانده است.»
کاتد سولفور پس از چهار هزار چرخه شارژ-تخلیه طی یک سال که معادل ۱۰ سال مصرف مداوم است، پایدار باقی ماند و تضعیف نشد. همانگونه که پیشبینی میشد، ظرفیت باتری بیش از سه برابر باتری لیتیومی-یونی بود.
دانشمندان با این امید که در نهایت استفاده تجاری از این فناوری را ممکن کنند، اینک در حال کار روی درک کامل سازوکار دقیق پشت این فرایند نوآورانهاند.
دکتر ویبها کارلا، از بخش شیمی و مهندسی زیستی دانشگاه درکسل، میگوید: «این کشفی هیجانانگیز است و میتواند درهای زیادی را به روی توسعه فناوری باتری پایدارتر و ارزانتر و مقرونبهصرفهتر باز کند.»
«فاصله گرفتن از وابستگی به لیتیوم و سایر موادی که گرانقیمتاند و استخراج آنها از زمین دشوار است، گامی مهم در توسعه باتریها و گسترش توانایی ما در استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر است.»