به گزارش تجارت نیوز، در سال‌های اخیر، رشد سریع صنعت خودروهای برقی و نیاز روزافزون به منابع انرژی پاک، دانشمندان را به سمت طراحی و ساخت باتری‌هایی با ظرفیت بیشتر، طول عمر بالاتر و ایمنی بهتر سوق داده است. یکی از امیدبخش‌ترین گزینه‌ها در این زمینه، باتری‌های لیتیوم-سولفور (Li-S) هستند که به‌دلیل ظرفیت نظری و چگالی انرژی بسیار بالا، توجه محققان را به خود جلب کرده‌اند. با این حال، چالش‌های متعددی همچون اثر شاتل پلی‌سولفیدها، سینتیک ردوکس کند و کاهش سریع ظرفیت در طول چرخه‌ها، مانع از کاربرد گسترده این فناوری شده است. اکنون گروهی از محققان کره جنوبی با ارائه یک رویکرد نوآورانه توانسته‌اند بخشی از این مشکلات را حل کنند و گامی مهم به سوی ساخت باتری‌های کارآمدتر و ایمن‌تر بردارند.
استراتژی نوآورانه؛ مهندسی دوسطحی برای طراحی مواد پیشرفته
تیمی از محققان کره‌ای با رهبری سونگ کئون پارک از گروه مهندسی مواد پیشرفته، یک استراتژی مهندسی دوسطحی ارائه کرده‌اند که مبتنی بر چارچوب فلزی-آلی (MOF) است. این روش، طراحی در دو مقیاس کلان (ماکرو) و ریز (اتمی) را با یکدیگر ترکیب می‌کند تا نانوالیاف‌های کربنی متخلخل سلسله‌مراتبی با ویژگی‌های منحصربه‌فرد تولید شوند.
در این ساختار، کاتالیزورهای تک‌اتمی (Single-Atom Catalysts) با هماهنگی کم درون شبکه نانوالیاف جاسازی شده‌اند. به‌ویژه، اتم‌های کبالت (Co) به صورت پراکنده و منفرد در یک پیکربندی N3 با هماهنگی کم قرار گرفته‌اند که موجب افزایش چشمگیر جذب پلی‌سولفیدهای لیتیوم و تسریع واکنش‌های ردوکس می‌شود. این ویژگی‌ها به طور مستقیم اثر شاتل را کاهش داده و منجر به بهبود عملکرد کلی باتری می‌شود.
بهینه‌سازی همزمان ساختار کربن و محیط کاتالیزوری
نتایج منتشرشده در مجله Advanced Fiber Materials نشان می‌دهد که برای دستیابی به حداکثر کارایی، لازم است بهینه‌سازی ساختار بستر کربنی و تنظیم محیط هماهنگی کاتالیزور به صورت همزمان انجام شود. تیم تحقیقاتی کره‌ای با در نظر گرفتن این اصل، موفق شد نانوالیاف‌های کربنی متخلخل را از چارچوب‌های فلزی-آلی مشتق کند تا یک ساختار سلسله‌مراتبی متخلخل ایجاد شود.
این ساختار، علاوه بر فراهم کردن کانال‌های نفوذ فراوان برای یون‌های لیتیوم، رسانایی یونی و ترشوندگی الکترولیت را افزایش داده و در عین حال محیطی مناسب برای فعالیت موثر مراکز Co-N3 فراهم می‌کند. به گفته‌ی پژوهشگران، این مراکز فعال توانایی بالایی در جذب و تبدیل موثر پلی‌سولفیدهای لیتیوم (LiPS) دارند که کلید عملکرد پایدار و طولانی‌مدت باتری‌های لیتیوم-سولفور محسوب می‌شود.
مزایای فنی و کاربردی در دنیای واقعی
دکتر «نام» از اعضای تیم تحقیقاتی با اشاره به کاربردهای عملی این فناوری می‌گوید: «ماده‌ای که ما طراحی کرده‌ایم سبک، بدون نیاز به چسب و انعطاف‌پذیر است. این ویژگی به ما اجازه می‌دهد آن را مستقیما به عنوان لایه میانی (Separator Layer) در سلول‌های کیسه‌ای باتری استفاده کنیم. همچنین این ماده حتی در شرایط خم شدن نیز پایداری مکانیکی خود را حفظ کرده و قادر است دستگاه‌های کوچک الکترونیکی را تغذیه کند.»
از دیدگاه کاربردی، این دستاورد می‌تواند زمینه‌ساز توسعه‌ی خودروهای برقی با برد حرکتی طولانی‌تر، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ برای متعادل‌سازی انرژی خورشیدی و بادی، و همچنین منابع تغذیه سبک و قابل انعطاف برای دستگاه‌های پوشیدنی باشد.
اثرات گسترده بر آینده انرژی پاک
اهمیت این پژوهش تنها در بهبود عملکرد باتری خلاصه نمی‌شود؛ بلکه پیامدهای گسترده‌تری برای گذار به انرژی پاک نیز دارد. این فناوری می‌تواند با افزایش بازدهی باتری‌ها، وابستگی به مواد اولیه کمیاب مانند کبالت و نیکل را کاهش دهد، هزینه تولید را پایین بیاورد، و در نتیجه انتشار کربن را در فرایندهای صنعتی کاهش دهد.
افزون بر این، طراحی منطقی مواد در سطح کلان و اتمی که این تیم ارائه کرده است، الگویی نوین برای توسعه‌ی سایر سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی به شمار می‌رود. این رویکرد می‌تواند به حل چالش‌های دیرینه در فناوری‌های باتری کمک کرده و مسیر را برای تولید باتری‌های ایمن‌تر، بادوام‌تر و ارزان‌تر هموار کند.
گامی به سوی آینده‌ای پایدارتر
در مجموع، دستاورد تازه‌ی محققان کره‌ای در مهندسی دوسطحی چارچوب‌های فلزی-آلی، نشان‌دهنده‌ی یک گام بزرگ در مسیر تحقق باتری‌های لیتیوم-سولفور با کارایی بالا است. این فناوری نه تنها می‌تواند راندمان و طول عمر باتری‌های نسل آینده را افزایش دهد، بلکه تاثیر چشمگیری در تحقق اهداف جهانی برای کاهش آلودگی، افزایش پایداری و تسریع در گذار به انرژی پاک خواهد داشت.
بدین ترتیب، آینده‌ی خودروهای برقی، سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی و ابزارهای پوشیدنی، بیش از پیش به فناوری‌های پیشرفته‌ای همچون این دستاورد وابسته خواهد بود؛ فناوری‌ای که نوید عصری جدید در صنعت باتری و انرژی‌های پاک را می‌دهد.
