تحافظ واجهة الجرافين الجديدة على تشغيل بطاريات الليثيوم والكبريت لمدة 1000 دورة
طور الباحثون طبقة داخلية مصممة جزيئيًا تعالج أحد أكبر العوائق أمام بطاريات الليثيوم والكبريت التجارية، مما يسمح للخلايا بالاحتفاظ بقدرتها على أكثر من 1000 دورة شحن وتفريغ مع توفير كثافة طاقة عالية. قام الفريق، بقيادة باحثين في جامعة توهوكو والمؤسسات المتعاونة، بإنشاء إطار عضوي تساهمي (COF) – واجهة الجرافين التي تمنع حركة بولي كبريتيد الليثيوم داخل البطارية. لقد أدت الهجرة غير المرغوب فيها، والمعروفة باسم تأثير المكوك متعدد الكبريتيد، إلى تقليل عمر وكفاءة بطاريات الليثيوم والكبريت لفترة طويلة. تعتبر بطاريات الليثيوم-الكبريت بديلاً واعداً لتكنولوجيا الليثيوم أيون الحالية لأن الكبريت متوفر بكثرة، وغير مكلف، وقادر على تخزين المزيد من الطاقة. ومع ذلك، فإن بولي كبريتيدات الليثيوم الذائبة التي تتشكل أثناء الشحن والتفريغ يمكن أن تنتقل بين أقطاب البطارية، مما يؤدي إلى ردود فعل جانبية ويسبب فقدانًا سريعًا للسعة. وبدلاً من الاعتماد على حاجز مادي، صمم الباحثون طبقة بينية تلتقط متعدد الكبريتيدات كيميائيًا بينما تساعدهم أيضًا على مواصلة المشاركة في التفاعلات الكهروكيميائية للبطارية. حل تحدي المكوك المادة الجديدة، التي تسمى TUS-44، عبارة عن إطار عضوي تساهمي من الأثير رباعي الفالين، مدمج مع الجرافين الموصل. ويشكلان معًا طبقة وظيفية خفيفة الوزن تعمل على احتجاز متعدد كبريتيدات الليثيوم وتسريع نقل الإلكترون. يحتوي COF على نيتروجين إيمين، وأكسجين تاج الأثير، ومواقع رباعيات الفالين الغنية بالكبريت والتي تتفاعل مع بولي كبريتيدات الليثيوم. يوفر الجرافين مسارًا موصلًا يعمل على تحسين نقل الشحنة ويدعم تحويل الكبريت أثناء تشغيل البطارية. في الاختبارات المعملية، قدمت خلايا الليثيوم والكبريت المزودة بطبقة TUS-44@G البينية قدرة عكسية تبلغ 1,455.7 مللي أمبير g⁻¹ عند 0.2 A g⁻¹ وحافظت على 773 مللي أمبير g⁻¹ حتى عند كثافة تيار عالية تبلغ 10 A g⁻¹. سجلت البطاريات أيضًا تلاشيًا في السعة بنسبة 0.034% فقط لكل دورة على مدى 1000 دورة عند 5 أمبير جرام⁻¹. قام الباحثون أيضًا ببناء خلية كيسية من كبريت الليثيوم باستخدام نفس الطبقة البينية. وقد حققت كثافة طاقة أولية تبلغ حوالي 674 وات/كجم⁻¹، مما يسلط الضوء على إمكانات المادة للتطبيقات العملية للبطاريات عالية الطاقة. وأوضح سايكات داس، الأستاذ المشارك المبتدئ في معهد البحوث متعددة التخصصات للمواد المتقدمة بجامعة توهوكو: “كان هدفنا هو تصميم طبقة بينية لا تحجب البوليسولفيدات فحسب، بل تدير مسار تفاعلها بفعالية”. “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.” التصميم الجزيئي مهم، على عكس المواد الكربونية المسامية التقليدية التي تتفاعل بشكل ضعيف مع متعددات الكبريتيدات، يمكن تصميم الهياكل العضوية التساهمية باستخدام هياكل مسامية دقيقة ووظائف كيميائية. وهذا يسمح لهم بالتقاط بولي كبريتيدات الليثيوم مع تعزيز نقل الإلكترون وتحويل الكبريت في نفس الوقت. قام الباحثون بتصنيع TUS-44 باستخدام كيمياء قاعدة شيف لإنشاء إطار مسامي ثنائي الأبعاد مع مسام دقيقة موحدة ومساحة سطحية عالية. عند طلائها على فاصل من مادة البولي بروبيلين مع الجرافين، شكلت المادة طبقة بينية رقيقة تمتص الإلكتروليت بسهولة بينما تمنع هجرة البولي كبريتيد. وقال البروفيسور يويتشي نيجيشي من جامعة توهوكو: “تظهر 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.” ونشرت الدراسة في مجلة سمول.
تم النشر: 2026-07-03 23:55:00
