دانشمندان ذرات کوچکی از سولفور (تصویر چپ) ساخته و سپس آنها را با دی‌اکسید تیتانیوم (آبی) پوشش دار ساختند. آنگاه مقداری از آن سولفور را حل ساخته و از بین می‌برند. این کار فضای کافی در ذرات برای فراوردهای جانبی تشکیل شده به هنگام شارژ باتری مبتنی بر سولفور، ایجاد می‌کند. در صورت عدم وجود فضای کافی این فراوردهای جانبی می‌توانند موجب اشغال شدن تمام فضای باتری شده و در نتیجه انفجار آن شوند.

امروزه باتریها به تله موش شباهت دارند. بدین معنی که اگر موفق به ساخت یک باتری بهتر شوید، دنیا به سوی شما کشیده خواهد شد. هرچند نوآوری در زمینه باتری به ندرت رخ می‌دهد. و سیستم‌های الکتروشیمیایی تنها هرچند سال یکبار به بازار می‌رسند.

با این حال، محققان موفق به یافتن شیوه‌ای جهت ساخت باتریهایی شده‌اند که شارژ بیشتری نگاه داشته و با گذشت زمان از عمر آن کاسته نمی‌شود.

طراحان باتری تاکنون با چالشهای بسیاری روبرو بوده‌اند، اما دو مورد از همه چشمگیرتر هستند. یکی از این موارد ساخت باتریهای کوچک و پردوام است. این دستگاه‌ها شارژ حقیقتاً زیادی را در خود نگاه می‌دارند. دیگری آنکه فرد قادر باشد چنین باتریهایی را صدها مرتبه شارژ کرده بدون آنکه توانایی خود را در حفظ مقدار زیادی انرژی از دست دهند. اکنون تیمی از دانشمندان طی گزارشی اعلام کرده‌اند که در حال دستیابی به این دو هدف بزرگ هستند. دستاورد آنها شامل افزودن سولفور یا گوگرد به دستور ساخت باتری‌های کنونی است.

و برخلاف تلاش‌های پیش از این، جهت ساخت باتری‌های مبتنی بر گوگرد، این باتریها در معرض انفجار قرار ندارند. به گفته‌ی این دانشمندان، این طراحی نو روزی می‌تواند به ساخت باتریهای کوچکتر و با عمر بیشتر منتهی شود.

ابداع شیوه‌ای جدید جهت ساخت باتریهایی بهتر با استفاده از ذرات فوق‌العاده کوچک گوگرد با پوشش دی اکسید تیتانیوم

باتریها به ویژه انواعی که جهت به کار انداختن ادوات الکترونیکی قابل حمل یا همراه، مورد استفاده قرار می‌گیرند نیاز داشته که مقدار زیادی انرژی را در یک فضای کوچک ذخیره کنند. یی کوی (Yi Cui ‎) از دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا توضیح می‌دهد که این ویژگی به افراد اجازه داده پیش از نیاز به شارژ مجدد دستگاه‌های خود، بتوانند از آنها مدت زمان بیشتری استفاده کنند. کوی که دانشمند علم مواد است در خصوص نحوه ارتباط ساختار اتمی و مولکولی یک ماده با ویژگی‌های کلی آن مطالعه می‌کند. کوی پروژه تیم طراح باتری‌های جدید مبتنی بر گوگرد را مورد بررسی و کنکاش قرار داد.
گوگرد نوعی ماده بسیار جالب برای باتری به حساب می‌آیدوی یادآور می‌شود که گوگرد نوعی ماده بسیار جالب برای باتری به حساب می‌آید. تنها مقدار کمی از این عنصر زرد رنگ ارزان می‌تواند انرژی بسیاری را ذخیره سازد. اما تلاشهای گذشته نشان داده است که بکار بردن آن در باتری کار دشواری است. به این دلیل که هرمرتبه که یک باتری مبتنی بر گوگرد را شارژ می‌کنید، فراورده‌های فرعی ناخوشایندی شکل می‌گیرند.

چه چیز موجب بد بودن آنها می‌شود؟ این فراورده‌های فرعی موسوم به پلی‌سولفید فضای بیشتری از سولفور آغازین اشغال می‌کنند. به گفته‌ی کوی در برخی موارد، می‌توانند تقریباً به دو برابر حجم سولفور اولیه برسند. و افزایش در حجم آنها می‌تواند موجب منفجر شدن باتری شود.

اشکال دیگر آن است که این فراورده‌های جانبی به راحتی در مایعات موجود در اکثر باتریها حل می‌شوند. که این به نوبه خود شارژ مجدد باتری یا به عبارتی شارژ کامل آن را بیش از پیش دشوار می‌سازد.

به گفته هکتور آبرونا (Hector Abruña): بدون شک «از نقطه نظر بسیاری از افراد استفاده از سولفور در باتری مسئله پیچیده‌ای است». وی شیمی‌دان دانشگاه کورنل در ایتاکا نیویورک بوده که خود در این پروژه جدید همکاری نداشته است.

اما تیم کوی به راهی دست یافته‌اند که از طریق آن انبساط و افزایش فراورده‌های جانبی و درآمیختن آنها در سرتاسر باتری را برطرف می‌سازد.
ابتدا این دانشمندان گوگرد را به ذراتی تبدیل ساختند که اندازه هریک به 800 نانومتر می‌رسیدابتدا این دانشمندان گوگرد را به ذراتی تبدیل ساختند که اندازه هریک به 800 نانومتر می‌رسید. نانو شاخصی به معنای یک میلیاردم است. بنابراین هریک از این ذرات حدود 800 میلیاردم یک متر هستند. (این ذرات همچنین به قدری کوچکند که 20 ذره از آنها که کنار به کنار یکدیگر قرار داشته باشند، به پهنای یک دیامتر نازکترین موی انسان نخواهد رسید». دانشمندان سپس هر ذره را به کمک پوششی به ضخامت 15 نانومتر پوشش‌دار ساختند. این پوشش نازک از دی‌اکسید تیتانیوم تشکیل شده بود. این ماده ارزان در دسته محصولاتی همچون رنگ و پودینگ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سرانجام این پژوهشگران ذرات دارای پوشش را در محلولی فرو بردند که می‌توانست از میان لایه دی‌اکسید تیتانیوم عبور کرده و وارد سولفور شود. این محلول به محض وارد شدن مقداری از سولفور را حل کرده و سپس از میان پوشش شسته و از بین می‌برد. این فرایند به اندازه‌ای سولفور را شسته و از بین می‌برد تا فضا برای پلی‌سولفیدهای حجیمی که با شارژ باتری تشکیل خواهند شد، ایجاد شود. به گفته کوی این بدان معناست که قاعدتاً باتری نباید منفجر شود.

مزیت دوم این پوشش آن است که روزنه‌های کوچک درون آن به قدری کوچک هستند که به هیچ پلی‌سولفید محلولی اجازه فرار نمی‌دهند. به این معنا که باتری می‌تواند قدرت خود را حفظ کرده و بیشتر از باتریهای ساخته شده از سایر ترکیبات، شارژ مجدد شود.

آبرونا عنوان می‌کند که: «رویکرد این تیم قطعاً تصورات و توقعات افراد را برآورده ساخته است». وی می‌افزاید: «این یک اثر در خور توجه به حساب می‌آید».

با این حال او نگران برخی مشکلات باقی مانده است. به عنوان مثال خود پوشش ذرات نانو سولفور را کمی بزرگ می‌سازد. بنابراین فضایی را که می‌توانست برای افزودن حفظ بیشتر انرژی توسط سولفور بکار رود، به هدر می‌رود. و هوای میان ذرات حتی فضای بیشتری را تلف خواهد ساخت. (فضای باتری را مانند دراژه‌های شکلاتی (اسمارتیز) در یک شیشه تصور کنید. چنانچه این شکلات به قطعات با پوشش قندی تفکیک نشده بود، آنگاه می‌توانستید مقدار بسیار بیشتری شکلات درون شیشه جای دهید).

با این وجود، آزمایشهای انجام شده توسط تیم کوی نشان می‌دهند که حتی پس از 100 دور کامل مصرف و شارژ مجدد، این باتریهای جدید می‌توانند هنوز هم به طور تقریبی 97 درصد از ظرفیت انرژی اولیه خود را حفظ کنند. به گفته کوی این بسیار بهتر از اکثر باتریهای لیتیوم ـ یون مورد استفاده در تلفن‌های همراه امروزی است.

کوی و همکارانش یافته‌های خود را در اوایل سال 2013 در نشریه نیچر کامیونیکیشن (Nature Communications.‎) منتشر ساختند.

مترجم: رزیتا ملکی‌زاده

برگرفته از سایت sciencenewsforstudents