يعمل الهجين COF-الجرافين الياباني على تطوير بطاريات الليثيوم والكبريت عالية الأداء
مع استمرار نمو الطلب على السيارات الكهربائية، وتخزين الطاقة المتجددة، والإلكترونيات المحمولة، يبحث الباحثون عن تقنيات البطاريات التي يمكنها تخزين المزيد من الطاقة، وبتكلفة أقل، وتدوم لفترة أطول من بطاريات الليثيوم أيون الحالية. من بين أكثر المرشحين الواعدين بطاريات الليثيوم-الكبريت (Li–S)، التي توفر كثافة طاقة نظرية أعلى بكثير مع الاعتماد على الكبريت، وهي مادة وفيرة وغير مكلفة. وعلى الرغم من هذه المزايا، فقد كافحت بطاريات Li–S للانتقال إلى ما هو أبعد من المختبر بسبب مشكلة مستمرة تُعرف باسم “تأثير المكوك متعدد الكبريتيد”. الآن، قام فريق بحث من جامعة توهوكو والمؤسسات المتعاونة بتطوير مادة جديدة مصممة جزيئيًا يمكن أن تساعد في التغلب على هذا التحدي الطويل الأمد، مما يجعل بطاريات الليثيوم والكبريت العملية تقترب خطوة من التسويق التجاري. تولد بطاريات الليثيوم-الكبريت الكهرباء من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية تولد بطاريات الليثيوم-الكبريت الكهرباء من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي يتحول فيها الكبريت إلى بولي كبريتيدات الليثيوم القابلة للذوبان أثناء التفريغ ويتم تحويله مرة أخرى أثناء الشحن. يسمح هذا التفاعل متعدد الخطوات لبطاريات Li-S بتخزين طاقة أكبر بكثير من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. ومع ذلك، يمكن أن تنتقل كبريتيدات الليثيوم القابلة للذوبان التي تتشكل أثناء التشغيل من كاثود الكبريت إلى أنود الليثيوم. هذه الحركة غير المرغوب فيها، والمعروفة باسم تأثير مكوك متعدد الكبريتيد، تسبب فقدان المواد النشطة، وردود الفعل الجانبية، والتفريغ الذاتي، والتدهور السريع للقدرة. ونتيجة لذلك، ينخفض عمر البطارية وكفاءتها بشكل كبير. لسنوات، حاول الباحثون منع هذا الانتقال باستخدام حواجز مادية، لكن هذه الأساليب غالبًا ما تؤثر على أداء البطارية. ومع ذلك، فإن الكيمياء التي تمنح بطاريات Li-S إمكاناتها الهائلة لتخزين الطاقة تخلق أيضًا أكبر نقاط ضعفها. تتصرف مركبات بولي كبريتيد الليثيوم المتوسطة التي تتشكل أثناء ركوب الدراجات إلى حد كبير مثل المسافرين المتجولين: بمجرد ذوبانها في المنحل بالكهرباء، يمكنها الهروب من كاثود الكبريت، والانجراف عبر الفاصل، والوصول إلى أنود معدن الليثيوم. تؤدي هذه الهجرة غير المنضبطة إلى بدء سلسلة من العمليات الضارة، بما في ذلك التفاعلات الجانبية الطفيلية، واستنفاد الكبريت النشط، ونمو الطبقات البينية غير المستقرة، والتفريغ الذاتي، والتآكل المستمر لسعة البطارية مع الاستخدام المتكرر، وفقًا لبيان صحفي. ومع ذلك، لا تكمن الوقاية في إقامة حاجز مادي. بدلاً من ذلك، يجب أن تعمل الواجهة الفاصلة بشكل أشبه بنقطة تفتيش ذكية. يجب أن تكون قادرة على التعرف بشكل انتقائي على أنواع polysulfide، والتقاطها من خلال تفاعلات كيميائية قوية، ونقل الإلكترونات بسرعة للحفاظ على النشاط الكهروكيميائي، وتوجيه وسيطات الكبريت بشكل فعال من خلال خطوات الاختزال والأكسدة المتعاقبة. ظل الجمع بين هذه الوظائف المتنوعة ضمن منصة مادية واحدة أحد التحديات الرئيسية في تطوير بطاريات Li-S العملية، وفقًا للإصدار. ولحل هذه المشكلة، أنشأ الفريق COF جديدًا من رباعي الفالين والأثير COF، يسمى TUS-44، ودمجه مع الجرافين الموصل لتشكيل طبقة وظيفية TUS-44@G لبطاريات Li-S. يحتوي الإطار على نيتروجين إيميني، وأكسجين تاج الأثير، ومواقع رباعي الفالين الغنية بالكبريت، والتي توفر معًا تسلسلًا هرميًا لمواقع التفاعل لبولي كبريتيدات الليثيوم بينما يوفر مكون الجرافين مسارًا فعالًا لنقل الإلكترون. قدرة معدل تبلغ 773 مللي أمبير زئبق⁻¹ عند 10 أمبير جم⁻¹، وأظهرت متانة طويلة الأمد مع تلاشي سعة 0.034% فقط لكل دورة على مدى 1000 دورة عند 5 أمبير جم⁻¹. حققت خلية كيس Li-S التي تشتمل على نفس الطبقة البينية كثافة طاقة أولية تبلغ حوالي 674 وات/كجم⁻¹ عند 0.05 أمبير⁻¹، مما يدل على وعد هذه الواجهة الهندسية الجزيئية للبطاريات العملية عالية الطاقة. “كان هدفنا هو تصميم طبقة بينية لا تحجب الكبريتيدات المتعددة فحسب، بل تدير مسار تفاعلها بشكل فعال”، يوضح سيكات داس، أستاذ مشارك مبتدئ في معهد الأبحاث متعددة التخصصات للمواد المتقدمة. جامعة توهوكو. “من خلال دمج كيمياء إيثر التاج ورباعي الفالين في COF مرتب وربطه بالجرافين، أنشأنا واجهة تعاونية يمكنها تثبيت أنواع الكبريت وإعادة توزيعها وتحويلها بكفاءة أكبر.” توفر COFs حلاً جذابًا تقدم COFs حلاً جذابًا لأنه يمكن تصنيعها بدقة على المستوى الجزيئي. على عكس الكربونات المسامية التقليدية، التي تتفاعل بشكل ضعيف فقط مع polysulfides، تمتلك COFs مسام مرتبة بشكل دوري يمكن برمجة أبعادها وبيئاتها الكيميائية وخصائصها الإلكترونية حسب التصميم. في جوهر الأمر، توفر COFs منصة مصممة جزيئيًا تلتقط وتحفز وتحفز في نفس الوقت، مما يوفر استراتيجية قوية لتحويل مشكلة مكوك متعدد الكبريتيد طويلة الأمد من عقبة رئيسية إلى جانب يمكن التحكم فيه من الكيمياء الكهربائية للكبريت، وفقًا للباحثين. يقول البروفيسور يويتشي نيجيشي من جامعة توهوكو: “تُظهر هذه الدراسة أنه يمكن استخدام الكيمياء الشبكية لبرمجة واجهات البطارية على المستوى الجزيئي”. “يوفر تصميم TUS-44@G طريقًا نحو بطاريات Li-S خفيفة الوزن ومتينة وعالية السرعة من خلال توحيد عملية تثبيت البوليكبريتيد مع التحويل الحفاز للكبريت.”
تم النشر: 2026-07-04 09:05:00
