Nanocomposite Electrocatalysts قد تعيد تصور بطاريات الليثيوم-كبريت مع أوقات شحن تبلغ 5 دقائق

من الليثيوم-أيون إلى الليثيوم-كبريت

Lithium-ion batteries have, so far, dominated the battery market.  This is thanks to both high energy density and a head start from being widely used and produced for the electronic consumer market.

عند تطبيقها على استخدامات أخرى، بدأت تظهر حدود لسعات بطاريات الليثيوم-أيون. على سبيل المثال، بطاريات الليثيوم-أيون تُعيد شحنها ببطء نسبيًا، وعلى الرغم من إمكانية الشحن السريع، إلا أنه يميل إلى إتلاف عمر البطارية.

الشحن البطيء كان مشكلة مستمرة لمالكي السيارات الكهربائية وغالبًا ما يُذكر كسبب لرفض الناس تبني السيارات الكهربائية.

مع كون السيارات الكهربائية الآن أكبر مستهلك للبطاريات من حيث سعة الطاقة، قد تصبح كيمياء بطاريات جديدة تشحن بسرعة أكثر شائعة بسرعة وتتنافس مع تصاميم الليثيوم-أيون.

One such promising new chemistry are lithium-sulphur batteries. Previous designs were even slower to charge than lithium-ion, but new nanomaterials could make a lithium-sulphur-powered EV charge in just 5 minutes.

مزايا وتحديات بطاريات الليثيوم-كبريت

The new lithium-sulphur battery technology was discovered by researchers at Chinese and Australian universities and research institutes (Adelaide, Tianjin, ANSTO, and Tsinghua) and published in Nature Nanotechnology under the title “تطوير بطاريات Li||S عالية القدرة عبر هندسة المحفزات النانوية المركبة من المعادن الانتقالية/الكربون”.

من المعروف منذ زمن طويل أن بطاريات الليثيوم-كبريت توفر كثافة طاقة مذهلة، أكثر من ضعف طاقة بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية عند قياسها بوحدة واط‑ساعة/كغ (الطاقة النوعية)، وأداءً متفوقًا عند قياسها بوحدة واط‑ساعة/لتر (السعة النوعية).

المصدر: Vertex Holdings

كانت القضايا الرئيسية التي منعت نماذج بطاريات الليثيوم-كبريت من الانتشار الواسع حتى الآن هي عمر قصير (ثلث عمر بطاريات الليثيوم-أيون) وسرعة شحن بطيئة جدًا، حيث تتطلب من 1 إلى 10 ساعات لشحن كامل.

وهذا أمر غير مقبول بوضوح للسيارات الكهربائية، حيث يشتكي المستخدمون بالفعل من 20‑30 دقيقة مع بطاريات الليثيوم-أيون.

(ناقشنا العديد من الكيميائيات البديلة للليثيوم-أيون في مقالتنا المرجعية “مستقبل التنقل – تقنية البطاريات”).

Lithium-sulphur limitations have suddenly changed thanks to the recent discovery published in Nature, with a new lithium-sulphur design promising astonishing performances:

• عمر لا يقل عن 1,000 دورة، مشابه لبطاريات الليثيوم-أيون.
• طاقة نوعية تبلغ 1,306 واط‑ساعة/كغ، أكثر بـ10 أضعاف من الليثيوم-أيون، وحتى أفضل من معظم تصاميم البطاريات الصلبة.
• دورة الشحن/التفريغ أقل من 5 دقائق.

بناء بطاريات الليثيوم-كبريت على المستوى النانوي

So, how did the researchers manage to build what seems to be the perfect battery?

أولاً، فحصوا على المستوى الذري/الكمي تفاعل اختزال الكبريت (SRR)، وهو الجزء الرئيسي الذي يتحكم في معدل الشحن/التفريغ. لتحقيق ذلك، استخدموا مسرع جسيمات (Australian Synchrotron، ANSTO) لتحديد إشغال المدار الذري (موضع الإلكترونات حول ذرة الكبريت) بدقة في المحفزات القائمة على المعادن.

مسلحين بهذه البيانات التي لم تُحلل من قبل، تمكنوا من توقع سرعة وعملية تفاعل اختزال الكبريت (SRR) بدقة.

مع هذا النموذج التنبؤي في متناول اليد، صمموا بعد ذلك محفزات نانوية مركبة، مكوّنة من الكربون وعدة سبائك مختلفة من المحفزات المعدنية مثل الحديد، الكوبالت، النيكل، النحاس، والزنك.

في النهاية، تم اختيار سبيكة من الكوبالت والزنك، مع الأداء المميز المذكور أعلاه.

ما التالي؟

The development of such a “super battery” could be a tipping point in the electrification of our energy systems, from transportation to mass adoption of renewables requiring powerful utility-scale batteries.

It is, however, still early, and a few questions need to be answered before lithium-sulphur batteries take over.

المواد النادرة

Lithium-ion batteries & EV manufacturers have been trying to move away from cobalt-using designs for years. This is because cobalt is a rare mineral, and its main source has been Congo, where cobalt production has been linked to child and slave labor and generally human rights abuses.

So, the cobalt-zinc nanocluster used in the electrocatalyst will also need to contend with that issue.

التكاليف

High material costs are another reason why the industry is moving away from cobalt-based designs in favor of batteries using solid-state, lithium-ferrum-phosphate (LFP), or sodium-ion.

لذلك قد تكون هذه مشكلة لبطاريات الليثيوم-كبريت القائمة على الكوبالت. حتى وإن كانت أكثر كفاءة وكثافة طاقة من بطاريات الليثيوم-أيون.

في الوقت نفسه، يعني ارتفاع الطاقة النوعية بشكل كبير أن عددًا أقل من البطاريات سيكفي لنفس مدى السيارة الكهربائية.

وهذا بدوره يقلل بشكل كبير من وزن السيارة الكهربائية، حيث تشكل البطاريات حاليًا أكثر من 25٪ من وزن المركبة. الوزن الأقل يزيد المدى أكثر.

العوامل الحاسمة الفعلية ستكون سعر الواط في بطاريات الليثيوم-كبريت، ومدى انخفاض وزن حزمة البطارية.

الإنتاج الضخم

The last decade has seen plenty of innovative materials and designs in battery technology. But turning a lab-made coin cell into a battery pack, and then creating a factory-scale process to build them is not trivial.

For example, تم تأجيل تاريخ تسويق البطاريات الصلبة مرارًا وتكرارًا سنة بعد سنة من قبل QuantumScape، فولكس فاجن، تويوتا، CATL، إل جي، وغيرها. (QS )

This is not because the technology is not working, but that mass producing at scale solid-state batteries, without quality issues & at low costs, has proven very challenging.

So, there are likely still many steps ahead in turning this lithium-sulphur prototype into a commercial battery.

الخلاصة

Batteries have been the weak point of EVs since inception, something getting slowly solved through the tremendous research efforts by universities worldwide, as well as industry leaders like CATL, Telsa, LG, etc.

ليس من الواضح أي تصميم أو كيمياء سيسود في النهاية. يبدو أن أقوى منافس هو البطاريات الصلبة، وقد تكون بطاريات الليثيوم-كبريت الجيل التالي من البطاريات التي ستظهر بعد تسويق البطاريات الصلبة.

قد تكون بطاريات LFP والصوديوم-أيون موجودة أيضًا للتطبيقات والمنتجات التي تركز على التكلفة المنخفضة بدلاً من الأداء العالي.

وبالطبع، ربما حتى تصاميم أكثر غرابة لبطاريات على نطاق المرافق ذات متطلبات مختلفة جدًا مقارنةً بالسيارات الكهربائية، مثل بطاريات الحديد‑هواء، والريدكس، والجاذبية، أو بطاريات الخرسانة التي ناقشناها في مقالاتنا “مستقبل تخزين الطاقة – تقنية بطاريات المرافق” و “بدائل غير كيميائية للبطاريات من أجل التحول الطاقي“.

في أي حال، يتجه مستقبل أنظمة الطاقة نحو الكهربة الجماعية. وتكنولوجيا البطاريات تتقدم بسرعة كبيرة، مما سيزيل على الأرجح العقبة الأخيرة أمام الاعتماد الجماعي للسيارات الكهربائية ومصادر الطاقة المتجددة.