باتری های لیتیوم سولفور (گوگرد)

باتری لیتیم گوگرد یا لیتیم سولفور (Lithium–sulfur battery) (Li–S battery) گونه‌ای از باتری‌های قابل شارژ هستند که در آن از آند لیتیمی و کاتد گوگرد برای ذخیره‌سازی الکتریسیته استفاده شده‌است. این نوع باتری‌ها به دلیل چگالی انرژی بالاتر، وزن کمتر و قیمت کمتر در مقایسه با باتری‌های لیتیم یون، جایگزین مناسبی برای این نوع باتری‌ها هستند. اگر چه تاکنون به‌طور تجاری تولید و مورد استفاده قرار نگرفته‌اند.

باتری لیتیوم سولفور

آشنایی با سولفور و باتری لیتیوم سولفور

نام لاتین گوگرد، سولفور نام دارد که در گروه ششم جدول تناوبی و بالای عنصر اکسیژن قرار دارد. گوگرد عنصری مهم برای همه‌ی موجودات زنده‌ است و یک نافلز بد بو، بدمزه و چند ظرفیتی است که بیشتر به شکل بلورهای زرد رنگ موجود در کانی های سولفید و سولفات وجود دارد.

فراوانترین سی آلوتروپ جامد گوگرد S8 است که به حالت یک حلقه هشت تایی از اتم های گوگرد تشکیل شده است البته حلقه هایی با تعداد اتم های متفاوت برای مثال حلقه های هفت تایی و شش تایی نیز برای این عنصر وجود دارد که با تفاوت رنگی قابل تشخیص هستند. بنابراین سولفور بیشتر به صورت یک حلقه هشت تایی از اتم های عنصر گوگرد مشاهده میشود که قابلیت ذخیره کردن اتم های لیتیوم را دارد که محققان به دلیل این ویژگی، از این ماده به عنوان کاتد برای باتری های لیتیوم یون استفاده میکنند.

نحوه عملکرد کاتد سولفور

هنگامی که لیتیوم به درون ساختار هشت تایی سولفور وارد میشود این حلقه شکسته شده و لیتیوم به صورت دو اتم جداگانه به دو طرف این زنجیر اضافه میشود و بدین ترتیب لیتیوم در اولین مرحله دخیره شدن در کاتد (دشارژ) جای میگیرد. با شکستن مجدد زنجیره گوگرد این عملیات میتواند ادامه پیدا کند و زنجیر اولیه کوچک تر شود و با اضافه شدن دوباره ی لیتیوم به زنجیره هشتایی ادامه پیدا کند و زنجیره اولیه می شکند و به قطعات کوچک تر تقسیم میگردد.

هنگام خارج شدن لیتیوم از کاتد (شارژ) این مراحل به صورت برعکس انجام میشود و زنجیره های کوچک تر با یکدیگر ترکیب شده و به زنجیره های بزرگتر تبدیل میشوند. دو فراورده نهایی در هنگام دشارژ یعنی Li2S و Li2S2 همانند سولفور نارسانا هستند و الکترون ها را به راحتی از خود عبور نمیدهند ولی پلی‌سولفیدها، در الکترولیت‌های معمول قابلیت انحلال دارند.

با حل شدن پلی سولفیدهای لیتیوم در الکترولیت در محلول الکترولیت این پلی سولفیدهای لیتیوم به پلی سولفید و یون لیتیوم تفکیک میشوند که بار پلی سولفیدها به دلیل گرفتن الکترون اتم لیتیوم منفی میشود. قابل ذکر است این فرایند شارژ و دشارژ گفته شده بسیار ساده بیان شده است و این فرایند میتواند بسیار پیچیده تر باشد که در کل فرایند دشارژ، پیچیدگی‌های بیشتری نسبت به فرایند شارژ دارد.

مشکلات باتری لیتیوم سولفور

مهمترین مشکل روبه رو در رابطه با این باتری ها این است که اگر بخواهیم انرژی مورد نیاز باتری را تامین نماییم نیاز است که مقدار زیادی سولفور را در باتری استفاده کنیم که هرچه سولفور در کاتد بیشتر باشد میزان بیشتری از لیتیوم میتواند در سمت کاتد قرار بگیرد و در نتیجه باتری میتواند به میزان بشتری دشارژ شود که این یعنی انرژی بیشتری از سمت آند آزاد میشود پس انرژی قابل استفاده بیشتر میشود.

اما استفاده از حجم زیاد سولفور مشکلاتی را ذر پی دارد. از جمله اینکه سولفور و فراورده های نهایی آن رسانایی خوبی ندارند و اگر بخواهیم میزان زیادی از سولفور را استفاده کنیم با مشکل واکنش کند لیتیوم با سولفور مواجه میشویم. چرا که در مسیر حرکت الکترون سولفور و فراورده های آن وجود دارد که اجازه حرکت به سمت ناحیه واکنش را به الکترون نمیدهند و در صورت استفاده از مقدار کم سولفور هم برای تامین ماده فعال مورد نیاز باتری هم با مشکل روبه رو میشویم. در این صورت باید سولفور را به صورت تک لایه و در حجم زیاد استفاده کنیم که با این کار به حجم و وزن باتری بسیار افزوده میشود.

برای ورود این باتری ها به صنعت نیاز است که از انرژی بیشتر از ۴۰۰Wh/kg و ظرفیت سطحی بالاتر از ۴mAh/cm2 استفاده نماییم که برای برآورده کردن این دوشرط، نیاز است که مقدار سولفور مورد استفاده به مقدار بیشتر از ۲mg/cm2 برسد.

همچنین ببینید

معرفی سیستم عامل iOS و همه چیز در مورد آن

معرفی سیستم عامل iOS و همه چیز در مورد آن

سیستم عامل مهمترین نرم افزاری است که در تلفن همراه و کامپیوتر ها وجود دارد …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *