پژوهشگران در یک دستاورد نوآورانه، طراحی از یک باتری را ارائه داده‌اند که می‌تواند با استفاده از مواد کمتر آلاینده و بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته، ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی را به‌طور چشمگیری نسبت به باتری‌های لیتیوم–یون افزایش داده و چالش‌های محیط‌زیستی ناشی از تولید آن‌ها را کاهش دهد.
باتری لیتیوم–سولفور نانویی؛ ذخیره‌سازی دو برابر انرژی و اثر محیط‌زیستی کمتر
در سال‌های اخیر، تقاضا برای مواد و طرح‌های نوین باتری که بتوانند عملکردی فراتر از باتری‌های سنتی ارائه دهند، به سرعت افزایش یافته است. علاوه بر ظرفیت بالاتر ذخیره‌سازی انرژی، یکی از مزایای کلیدی باتری‌های لیتیوم–سولفور این است که نسبت به باتری‌های لیتیوم–یون امروزی، اثر محیط‌زیستی کمتری دارند. باتری‌های لیتیوم–سولفور از موادی استفاده می‌کنند که تأثیر کمتری بر محیط زیست دارند و وابستگی آن‌ها به فلزات کمیاب کمتر است. به عنوان مثال، سولفور که ماده فعال اصلی در این باتری‌ها به‌شمار می‌آید، هم از نظر قیمت مقرون به‌صرفه و هم از نظر دسترسی، نسبت به فلزاتی مانند کبالت و نیکل که در باتری‌های لیتیوم–یون به کار می‌روند، مزیت قابل توجهی دارد.
جون-وو پارک از مرکز تحقیقات باتری نسل بعدی در موسسه فناوری الکترونیک کره (KERI) گفت: «باتری‌های لیتیوم–سولفور از موادی با اثر زیست‌محیطی پایین‌تر بهره می‌برند و وابستگی کمتری به فلزات کمیاب دارند. این امر باعث می‌شود که باتری‌های ما علاوه بر ذخیره‌سازی انرژی بالاتر، دوستدار محیط زیست نیز باشند.»
با وجود وعده‌های فناوری نوین باتری‌های لیتیوم–سولفور، پژوهشگران مدت‌ها با یک مانع عمده در جهت تجاری‌سازی این فناوری مواجه بودند. یکی از چالش‌های اصلی، واکنش‌های شیمیایی ناخواسته‌ای است که در طول فرآیند شارژ و دشارژ باتری رخ می‌دهد. این واکنش‌ها باعث ایجاد آسیب به اجزای کلیدی باتری و کاهش تدریجی عملکرد و عمر مفید آن می‌شوند.
پارک و همکارانش با ارائه طراحی جدیدی سعی در رفع این مشکل داشته‌اند. وی توضیح داد: «این طراحی با رفع چالش‌های اساسی، عملکرد باتری را به‌طور چشمگیری بهبود می‌بخشد. علاوه بر این، ساختار ما امکان تولید باتری‌های فوق‌العاده انعطاف‌پذیر را فراهم کرده است که می‌توانند در دستگاه‌های پوشیدنی و سایر فناوری‌های نوظهور به کار روند.»
اگرچه ایده استفاده از باتری‌های لیتیوم–سولفور به دهه ۱۹۶۰ باز می‌گردد، اما تاکنون موانع زیادی در جهت تجاری‌سازی این فناوری وجود داشته است. یکی از بزرگ‌ترین مشکلات، واکنش جانبی شیمیایی‌ای است که موجب تشکیل مولکول‌هایی به نام پلی‌سولفیدها می‌شود. در طی شارژ و دشارژ، این پلی‌سولفیدها در الکترولیت مایع حل شده و بین الکترودها جابه‌جا می‌شوند و واکنش‌های ناخواسته‌ای را ایجاد می‌کنند. این پدیده که به «اثر شاتل پلی‌سولفید» معروف است، با تخریب تدریجی اجزای مهم باتری، کارایی آن را کاهش داده، عمر مفید را کوتاه می‌کند و حفظ عملکرد پایدار در طول چرخه‌های متعدد شارژ را دشوار می‌سازد.
برای غلبه بر این چالش، پژوهشگران طراحی جدیدی ارائه دادند که از نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره استفاده می‌کند. این نانولوله‌ها که از صفحات گرافن تشکیل شده و به شکل لوله‌های میکروسکوپی جمع شده‌اند، به دلیل مقاومت و هدایت الکتریکی برجسته، عملکرد باتری‌های لیتیوم–سولفور را بهبود می‌بخشند. نوآوری در این طراحی، تغییر شیمیایی سطح نانولوله‌ها به‌گونه‌ای است که اتم‌های اکسیژن را به خود مرتبط می‌سازد. اتم‌های اکسیژن سپس به پلی‌سولفیدها متصل شده و به عنوان فیلتری عمل می‌کنند تا از حرکت آن‌ها درون ساختار باتری جلوگیری نمایند.
این روش نوین به پژوهشگران این امکان را داد تا باتری‌هایی با عملکرد بهبود یافته بسازند. در نمونه‌های آزمایشی، باتری‌ها توانستند پس از ۱۰۰ چرخه شارژ و دشارژ، بیش از ۸۵٪ از ظرفیت اولیه انرژی خود را حفظ کنند که این رقم به مراتب بالاتر از طراحی‌های پیشین باتری‌های لیتیوم–سولفور است. همچنین، ادغام نانولوله‌های کربنی در ساختار باتری منجر به تولید باتری‌های انعطاف‌پذیر با ظرفیت بالای انرژی شده است. در یک نمونه اولیه، چندین لایه باتری به صورت یک صفحه ضخیم مونتاژ شدند که قادر به ذخیره بیش از ۱ آمپر-ساعت (Ah) انرژی بودند؛ مقداری که معادل حدود یک‌چهارم ظرفیت یک باتری رایج در گوشی‌های هوشمند محسوب می‌شود.
اگر تلاش‌های بهینه‌سازی موفقیت‌آمیز باشد، این نوع باتری می‌تواند گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای متنوع از جمله در هواپیماهای مسافربری محسوب شود؛ جایی که هواپیماهای کوچک به عنوان جایگزینی برای حمل‌ونقل زمینی به‌کار گرفته می‌شوند. طراحی سبک وزن این باتری‌ها می‌تواند امکان افزایش مدت زمان پرواز را فراهم کند و انعطاف‌پذیری آن‌ها نیز امکان یکپارچه‌سازی بی‌دردسر در طراحی‌های مختلف بدنه هواپیما را فراهم می‌آورد.
