استفاده از لایه میانی دوکاره مبتنی بر گرافن، مشکل کاهش سرعت شارژ و ناپایداری باتریهای لیتیوم-گوگرد را حل کرد.
به گزارش سیناپرس، محققان دانشگاه علوم و فناوری کوچین هند با معرفی یک لایه میانی دوکاره مبتنی بر پلیآنلاین/اکسید گرافن کاهشیافته (PRGO)، گامی بزرگ در جهت رفع موانع کلیدی تجاریسازی باتریهای لیتیوم-گوگرد (Li-S) برداشتهاند. این نوآوری با هدف بهبود رسانایی گوگرد و جلوگیری از مهاجرت پلیسولفیدها، پتانسیل افزایش چشمگیر ظرفیت و پایداری این نسل جدید باتریها را دارد.
محققان دانشگاه علوم و فناوری کوچین هند، یک لایه میانی دوکاره پلیآنلاین/اکسید گرافن کاهشیافته (PRGO) را توسعه دادهاند که در جداکننده باتری لیتیوم-گوگرد (Li-S) ادغام شده است.
سیستمهای لیتیوم-گوگرد ظرفیت ویژه تئوری ۱۶۷۵ میلیآمپر ساعت بر گرم و چگالی انرژی نزدیک به ۲۶۰۰ واتساعت بر کیلوگرم را ارائه میدهند، اما تجاریسازی آنها به دلیل رسانایی بسیار پایین گوگرد (حدود ۵×۱۰⁻³⁰ S cm⁻¹) و انحلال و مهاجرت پلیسولفیدهای لیتیوم (LiPSs) با مانع مواجه شده است. این واسطههای محلول در طول تخلیه تشکیل میشوند – ابتدا در ولتاژ ۲.۱–۲.۴ ولت (پلیسولفیدهای زنجیره بلند، حدود ۲۵٪ ظرفیت، ۴۱۸ میلیآمپر ساعت بر گرم) و سپس در ولتاژ ۱.۶–۲.۱ ولت (گونههای زنجیره کوتاه، حدود ۷۵٪، ۱۲۵۷ میلیآمپر ساعت بر گرم) – و به راحتی به سمت آند لیتیوم نفوذ میکنند و باعث از دست دادن ماده فعال و کاهش سریع ظرفیت میشوند.
لایه میانی PRGO پیشنهادی از طریق یک فرآیند اختلاط فیزیکی ساده ساخته شده و بر روی یک طرف جداکننده پلیپروپیلن معمولی (با استفاده از چسب PVDF) پوشش داده میشود که طراحی دوگانه عملکرد را امکانپذیر میسازد: یک طرف به عنوان یک لایه میانی کاربردی عمل میکند در حالی که طرف دیگر یکپارچگی جداکننده را حفظ میکند. مشخصهیابی ساختاری (XRD، رامان، SEM) تشکیل موفقیتآمیز کامپوزیت و مورفولوژی متصل به هم آن را تأیید میکند.
از نظر مکانیکی، افزایش عملکرد ناشی از نقشهای مکمل دو جزء است. اکسید گرافن کاهشیافته (RGO) یک شبکه رسانا با ابعاد دوگانه با سایتهای سطحی فراوان فراهم میکند که پلیسولفیدها را به صورت فیزیکی جذب کرده و انتقال الکترون را تسهیل میکند. پلیآنلاین (PANI)، یک پلیمر رسانا با ساختار مزدوج و مورفولوژی متخلخل، جذب شیمیایی قوی LiPSs را فراهم میکند و در عین حال انتقال یون را از طریق کسربالای حفره خود امکانپذیر میسازد. این ترکیب یک مانع رسانا و از نظر شیمیایی فعال ایجاد میکند که هم پلیسولفیدها را در نزدیکی کاتد به دام میاندازد و هم تبدیل ردوکس آنها را ترویج میدهد و به طور مؤثر اثر شاتل را سرکوب میکند.
به طور همزمان، کاتد گوگرد با همان اجزای PANI/RGO (کاتد SPR) اصلاح میشود و رسانایی و استفاده از ماده فعال را بیشتر افزایش میدهد. در نتیجه، سلولهای مونتاژ شده ظرفیت تخلیه اولیه ۹۹۴ میلیآمپر ساعت بر گرم در ۰.۵C و ۸۹۳.۰۶ میلیآمپر ساعت بر گرم در ۱C را ارائه میدهند. پایداری چرخهای، حفظ تقریباً ۴۲٪ ظرفیت را پس از ۱۰۰ چرخه در ۰.۵C نشان میدهد، که نشاندهنده کاهش جزئی مکانیسمهای تخریب است، اگرچه هنوز جای بهبود در مقایسه با سیستمهای پیشرفته با چرخههای طولانی وجود دارد.
به نقل از نانو ایران، در مقایسه با لایههای میانی مستقل ضخیمتر، طراحی PRGO ادغام شده با جداکننده، بدون افزایش قابل توجه در چگالی انرژی وزنی، سازگاری بین سطحی را بهبود میبخشد.
این تحقیق نشان میدهد که چگونه ترکیب پلیمرهای رسانا با مواد مشتق شده از گرافن میتواند لایههای میانی چندمنظوره ایجاد کند که به طور همزمان محدودیتهای رسانایی و مهاجرت پلیسولفید – دو مانع پایدارتر در باتریهای لیتیوم-گوگرد – را برطرف میکنند.