پژوهشگران ساز و کار جدید مبتنی بر فناوری نانو را در باتری‌های سدیم/گوگرد اعمال کردند که به باتری این فرصت را می‌دهد که در طول شارژ/دشارژ خود را پالایش کند. در این فرآیند ذرات تجمع یافته در الکترود به نانوذرات تبدیل می‌شود.
باتری‌ها در طول کار خودشان را ترمیم خواهند کرد
در مقاله‌ای که به تازگی در مجله Nature Communications منتشر شده است، محققان روشی برای بهبود عملکرد کاتدهای سولفید سدیم (Na2S) از طریق مکانیسم خود پالایشی پیشنهاد کردند. این رویکرد به چالش‌هایی مانند سینتیک ضعیف و اثر شاتل در سیستم‌های باتری Na-S می‌پردازد. نتایج این مطالعه نشان می‌دهد که استفاده از یک ماتریس رسانا همراه با سولفید مس (Cu2S) به عنوان کاتالیزور، عملکرد الکتروشیمیایی Na2S را افزایش می‌دهد و به توسعه باتری‌های Na-S کارآمدتر کمک می‌کند.
باتری‌های سدیم گوگرد به دلیل چگالی انرژی بالا و هزینه کم مورد توجه هستند، اما استفاده از سولفید سدیم به عنوان یک ماده کاتدی چالش‌های مهمی را به همراه دارد. ذرات سولفید سدیم بزرگ و آگلومره شده در طول چرخه شارژ/دشارژ ایجاد می‌شوند که استفاده از مواد فعال و برگشت‌پذیری را کاهش می‌دهند. علاوه بر این، اثر شاتل، ناشی از انحلال و مهاجرت پلی سولفیدها در الکترولیت، عملکرد باتری را بیشتر مختل می‌کند. در حالی که راهبردهایی مانند افزودنی‌های مواد رسانا و مواد نانوساختار مورد بررسی قرار گرفته‌اند، اغلب در رسیدن به عملکرد مطلوب در دمای اتاق شکست می‌خورند.
این پروژه یک مکانیسم خود پالایشی را معرفی می‌کند که ذرات سولفید سدیم با اندازه میکرونی را در طول فرآیند تخلیه بار به نانوذرات کوچکتر تبدیل می‌کند. این تبدیل فعالیت الکتروشیمیایی را بهبود می‌بخشد و عملکرد کلی کاتد سولفید سدیم را افزایش می‌دهد.
آماده‌سازی کاتد سولفید سدیم شامل چندین مرحله کلیدی است. در این پروژه سولفید سدیم خالص از سولفید باریم از طریق واکنش‌های شیمیایی کنترل شده برای اطمینان از خلوص بالا سنتز شد. سپس سولفید سدیم با پلی وینیل پیرولیدون (PVP) و سولفید مس (Cu2S) ترکیب شد تا یک ماده کاتدی کامپوزیتی ایجاد شود. یک ماتریس رسانا، متشکل از کتجن بلک (Ketjen Black) و نانولوله‌های کربنی چند جداره (MWCNTs)، مورد استفاده قرار گرفت. سپس این کامپوزیت برای دستیابی به توزیع یکنواخت مواد فعال تحت آسیاب توپی و خشک کردن در خلاء قرار گرفت.
عملکرد الکتروشیمیایی با استفاده از آزمایش‌های ولتامتری سیکلی و تخلیه بار-تخلیه گالوانوستاتیک ارزیابی شد. روش‌های تعیین مشخصات پیشرفته، از جمله طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) و طیف‌سنجی جرمی یونی ثانویه زمان پرواز (TOF-SIMS)، برای تجزیه و تحلیل خواص ساختاری و شیمیایی مواد کاتد استفاده شد.
این مطالعه بهبود قابل توجهی در عملکرد الکتروشیمیایی کاتد سولفید سدیم با استفاده از مکانیسم خود پالایش نشان داد. در طول شارژ اولیه، ذرات سولفید سدیم با اندازه میکرونی به نانوذرات کوچکتر از ۲۰۰ نانومتر تبدیل شدند که به طور یکنواخت روی ماتریس رسانا توزیع شدند. این تبدیل، فعالیت الکتروشیمیایی کاتد را با ایجاد یک سطح بزرگتر برای واکنش و کاهش فاصله انتشار برای یون‌های سدیم افزایش داد.
تست‌های عملکرد شارژ/دشارژ، ظرفیت ویژه بالا و راندمان کولمبی عالی را در چرخه‌های شارژ-دشارژ چندگانه نشان دادند. مکانیسم خود پالایش استفاده از ماده فعال را افزایش داد و اثر شاتل را کاهش داد و در نتیجه عملکرد باتری در دمای اتاق عالی بود.
