يمكن أن تكون بطاريات الليثيوم والكبريت أرخص وأكثر كثافة للطاقة

2023 مؤلف: Isabella Ferguson | [email protected]. آخر تعديل: 2023-11-26 12:44

ارتفعت مبيعات السيارات الكهربائية الجديدة ، ولكن هناك قيودًا حول إنتاج البطاريات والمركبات. تتراوح نطاقات المركبات الكهربائية الجديدة من 200 إلى 300 ميل (322-483 كم) أو نحو ذلك. من المحتمل أن تعمل بطاريات الليثيوم-الكبريت على توسيع نطاقات المركبات الكهربائية بشكل كبير وتكلفة أقل لأن الكبريت مادة أكثر وفرة من الكوبالت. النقل هو مصدر رئيسي لغازات الاحتباس الحراري ، لذلك هناك حاجة إلى المزيد من المركبات الكهربائية. يمكن أن تساعد بطاريات الليثيوم الكبريتية في نهاية المطاف في تسريع إنتاج المركبات الكهربائية واعتمادها.

أدت الأبحاث في جامعة موناش في أستراليا إلى تطوير بطارية ليثيوم-كبريت عالية الأداء وموفرة للطاقة. تشير مقالة على موقع الجامعة إلى أن التكنولوجيا قريبة من التسويق التجاري ويمكن أن يكون لها نطاق EV محتمل يبلغ 1000 كيلومتر (621 ميل).

أجاب الدكتور محدخت شيباني ، الباحث في الهندسة الميكانيكية والفضائية بجامعة موناش ، والذي شغل أيضًا دورًا قياديًا في المشروع ، على بعض الأسئلة حول عمل CleanTechnica.

بالنسبة للشخص العادي ، كيف يمكن أن يكون لليثيوم-كبريت المستخدم في البطاريات ستة أضعاف الطاقة لوزن معين؟

في بطارية Li-ion ، تنقل Li + أيونات بين مضيف إقحام القطب الموجب (السعة النظرية تصل إلى 280 مللي أمبير في الساعة g-1) حيث يتم تخزينها عند التفريغ ؛ والإلكترود السالب للكربون الغرافيتي ، حيث يتم تخزينهما عند الشحن بأقصى محتوى قدره Li0.16C (النسبة من 1 إلى 6 تعني أن السعة ليست كبيرة - السعة النظرية هي 370 مللي أمبير جم -1). تتراوح الفولتية الخلوية بين 3.4 و 3.8 فولت مقابل Li / Li +. تبلغ كثافة الطاقة النظرية حوالي 500 Wh Kg-1 على أساس مواد الإلكترود.

تختلف آلية التخزين القائمة على تفاعل الأكسدة والاختزال في نظام Li-S اختلافًا جوهريًا عن عملية الإقحام لبطارية ليثيوم أيون. تبلغ السعة النظرية للكبريت (القطب الموجب) 1675 مللي أمبير / ساعة ، وذلك بفضل تكوين Li2S عندما يتحد الكبريت مع الليثيوم (القطب السالب). نسبة 2 إلى 1 تزيل عقبة الاحتفاظ بالكثير من الليثيوم وتعد بمطابقة رائعة لأنود الليثيوم عالي السعة (3860 مللي أمبير / جرام). يتم بعد ذلك تحديد كثافة الطاقة النظرية لنظام Li-S من خلال السعة النظرية للكبريت (1675 مللي أمبير / ساعة) وإمكاناته البالغة 2.15 فولت مقابل Li / Li + ، لتكون حوالي 2500 واط / كجم.

على الرغم من أن الليثيوم-الكبريت يوفر زيادة تصل إلى خمسة أضعاف في كثافة الطاقة الجاذبية مقارنةً بأيون الليثيوم ، من وجهة نظر عملية ، وبالنظر إلى الاختراق الذي حققته مجموعتنا البحثية والتقدم الذي أحرزته المؤسسات والشركات البحثية الأخرى ، يمكنك أن تتوقع لرؤية زيادة بمقدار الضعفين في مستوى حزمة البطارية عند طرحها لأول مرة في السوق.

كيف يمنع تصميمك الجديد بطاريات الليثيوم والكبريت من الانهيار؟

ومن المفارقات أن التحدي الرئيسي للتبني الجماعي لبطاريات الليثيوم-الكبريت حتى الآن هو أن سعة تخزين قطب الكبريت كبيرة جدًا بحيث لا يمكنها إدارة الإجهاد الناتج. بدلاً من ذلك ، يتفكك ، بنفس الطريقة التي قد نتفكك بها عندما نكون تحت الضغط يؤدي الكسر التدريجي إلى تدمير الأسلاك الكهربائية عبر القطب الكهربي والاضمحلال السريع لأداء الطاقة الفائق.

يعتمد التصميم الجديد على عامل ربط تقليدي ، ولكن تتم معالجته بطريقة مختلفة لتشكيل روابط جسر قوية للغاية بين مصفوفة الكربون وجزيئات الكبريت التي تتيح مساحة إضافية مع تمدد البطارية أثناء الشحن. بكلمات بسيطة ، أعطيت جزيئات الكبريت بعض المساحة للتنفس بينما هم تحت واجب ركوب الدراجات الشاق!

إذا كان لديك خلال 2-4 سنوات ، بطاريات ليثيوم كبريت متاحة للاستخدام التجاري ، فهل سيكون ذلك في شكل بطاريات صغيرة جدًا للإلكترونيات ، أم يمكن أن يكون في شكل بطاريات للسيارات الكهربائية؟

نظرًا للتكلفة المنخفضة المتوقعة ، فإن أولويتنا هي اختبار بطارياتنا في التطبيقات واسعة النطاق ، والمركبات الكهربائية والشبكات. الأهم من ذلك ، نحن بحاجة إلى تقنيات تخزين الطاقة النظيفة والجديدة الجذرية لمكافحة تغير المناخ في أستراليا حيث يمكن أن يكون لتغير المناخ المستدام آثار جذرية ليس فقط على النظم البيئية ولكن أيضًا على حياة الناس ، ونعتقد أن نظام Li-S هو حل واعد محتمل.

اليوم ، تتراوح نطاقات المركبات الكهربائية الجديدة من 200 إلى 300 ميل ، فهل يمكن أن تضيف صناعة بطاريات الليثيوم والكبريت ما لا يقل عن 100 إلى 200 ميل آخر من المدى لكل شحنة؟

حاليًا ، تعد كثافة الطاقة الحجمية (Wh L-1) لنظام Li-S في أفضل حالاتها منافسًا لبطارية Li-ion ، ولكن هناك إمكانات كبيرة نظرًا لكثافة الطاقة الجاذبية الأعلى لهذا النظام والأهم من ذلك التكلفة المنخفضة المتوقعة لـ البطارية - كلاهما يمكن أن يؤثر على نطاق الأميال للمركبة الكهربائية. أولاً ، قد ينتج عن البطاريات الأخف نطاقًا أعلى للمركبات الكهربائية ؛ ثانيًا ، تعني بطارية أخف وزنا منخفضة التكلفة أن مصنعي المركبات الكهربائية يمكنهم استكشاف مفاهيم جديدة حيث يمكنهم تخصيص مساحة أكبر في السيارة لحزمة البطارية دون القلق بشأن التكلفة والوزن! تشكل بطاريات اليوم جزءًا كبيرًا من التكلفة الإجمالية للمركبة الكهربائية (33٪ إلى 57٪ اعتمادًا على السيارة) ووزن المركبات الكهربائية (حوالي 20٪ إلى 25٪) واستخدام المزيد من البطاريات في السيارة لا يعني كثيرًا من حيث التكلفة- الحكمة والوزن.

يمكن لبطارية Li-S منخفضة التكلفة والخفيفة أن تفتح هذه العقبة بشرط أن يهتم المصنعون باستكشاف مفاهيم السيارات الجديدة ويمكن للباحثين في مجال البطاريات زيادة العمر الافتراضي لبطارية Li-S إلى المستوى المطلوب من EV. من وجهة نظري ، الثانية مرجحة للغاية

إذا تم تسويق تقنية الليثيوم-الكبريت الخاصة بك ، فهل ستمتلك براءات اختراع مختلفة لها وترخص براءات الاختراع للشركات التي تصنع بطارياتها الخاصة؟

لقد كان هذا موضوع نقاش داخلي ولا يزال يتعين علينا اتخاذ قرار بشأن خطواتنا التالية.

نظرًا لأن الكبريت مادة وفيرة ، إذا وصلت تقنيتك إلى الأسواق التجارية ، فهل يمكن تصنيع بطاريات المركبات الكهربائية بتكلفة أقل وبكثافة طاقة أكبر؟

آمل أن أكون قد أجبت بالفعل على هذا السؤال ، الإجابة المختصرة هي نعم.

هل ستتمتع بطارية الليثيوم-الكبريت بنفس طول عمر بطارية الليثيوم أيون الكهربائية الحالية ، أم أنه من السابق لأوانه معرفة ذلك؟

ليس الان. إن زيادة العمر الافتراضي لبطارية Li-S هي التحدي الأكبر لهذه التكنولوجيا الواعدة للبطارية ونوع مماثل من الاختراق في تثبيت أنود Li المعدني مطلوب لتحقيق رقم 500 دورة وهو مناسب للعديد من التطبيقات. كان هذا محور اهتمام العديد من مجموعات البحث والبحث والتطوير مثل Fraunhofer IWS في ألمانيا بقيادة الدكتور هولجر ألثوس.

من الجدير بالذكر أنه على عكس الكاثود ، فإن البحث على القطب الموجب لم ينضج بعد. هناك الكثير لاستكشافه ومن المتوقع إحراز تقدم كبير في المستقبل القريب.

يمكن إعادة استخدام بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في المركبات الكهربائية ، بمجرد أن تعمل في المركبات الكهربائية ، لاستخدامات أخرى ، مثل تخزين الطاقة الثابت. هل يمكن أن يكون ذلك ممكنًا أيضًا بالنسبة لبطاريات الليثيوم الكبريتية ، أم أنه من السابق لأوانه معرفة ذلك؟

أعتقد أن إعادة استخدام بطارية Li-S المستنفدة للتطبيق في الشبكات أمر محتمل للغاية.