تكنولوجيا النانو الآن - بيان صحفي: مسار غير معروف سابقًا للبطاريات ذات الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة والعمر الطويل: آلية التفاعل المكتشفة حديثًا تتغلب على الانخفاض السريع في الأداء في بطاريات الليثيوم والكبريت

الصفحة الرئيسية > صحافة > مسار غير معروف سابقًا للبطاريات ذات الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة والعمر الطويل: آلية التفاعل المكتشفة حديثًا تتغلب على الانخفاض السريع في الأداء في بطاريات الليثيوم والكبريت

مسارات تفاعل مختلفة من بولي كبريتيد الليثيوم (Li₂S₆) إلى كبريتيد الليثيوم (Li₂S) في بطاريات الليثيوم-الكبريت مع (يسار) وبدون (يمين) محفز في كاثود الكبريت. ائتمان (الصورة بواسطة مختبر أرجون الوطني.)

المستخلص:
اكتشف العلماء طريقًا مدهشًا لتحسين بطاريات الليثيوم والكبريت من خلال تصور التفاعلات على المستوى الذري.

مسار غير معروف سابقًا للبطاريات ذات الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة والعمر الطويل: آلية التفاعل المكتشفة حديثًا تتغلب على الانخفاض السريع في الأداء في بطاريات الليثيوم والكبريت

ليمونت، إلينوي | تم النشر في 8 سبتمبر 2023

إن الطريق من التقدم في المختبر إلى التكنولوجيا العملية يمكن أن يكون طويلًا ووعرا. مثال على ذلك بطارية الليثيوم والكبريت. وتتمتع بمزايا ملحوظة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون الحالية التي تزود المركبات بالطاقة. لكنها لم تؤثر على السوق بعد على الرغم من التطور المكثف على مدى سنوات عديدة.

يمكن أن يتغير هذا الوضع في المستقبل بفضل جهود العلماء في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. وعلى مدى العقد الماضي، حققوا العديد من الاكتشافات المحورية المتعلقة ببطاريات الليثيوم والكبريت. أحدث اكتشافاتهم، المنشورة في مجلة Nature، يفتح آلية تفاعل غير معروفة سابقًا تعالج عيبًا كبيرًا، وهو العمر القصير جدًا للبطاريات.

صرح جوي ليانج شو، الكيميائي في قسم العلوم والهندسة الكيميائية في أرجون، أن "جهود فريقنا يمكن أن تقرب الولايات المتحدة خطوة كبيرة من مشهد نقل أكثر خضرة واستدامة".

توفر بطاريات الليثيوم-الكبريت ثلاث مزايا مهمة مقارنة ببطاريات الليثيوم-أيون الحالية. أولاً، يمكنها تخزين طاقة أكبر بمرتين إلى ثلاث مرات في حجم معين، مما يؤدي إلى مدى أطول للمركبة. ثانياً، إن انخفاض تكلفتها، الذي تسهله وفرة الكبريت والقدرة على تحمل تكاليفه، يجعلها قابلة للحياة اقتصادياً. وأخيرًا، لا تعتمد هذه البطاريات على الموارد الحيوية مثل الكوبالت والنيكل، والتي قد تواجه نقصًا في المستقبل.

وعلى الرغم من هذه الفوائد، فقد ثبت أن الانتقال من النجاح المختبري إلى الجدوى التجارية أمر بعيد المنال. أظهرت الخلايا المختبرية نتائج واعدة، ولكن عند توسيع نطاقها إلى الحجم التجاري، يتراجع أدائها بسرعة مع تكرار الشحن والتفريغ.

السبب الكامن وراء هذا الانخفاض في الأداء يكمن في انحلال الكبريت من الكاثود أثناء التفريغ، مما يؤدي إلى تكوين بولي كبريتيد الليثيوم القابل للذوبان (Li2S6). تتدفق هذه المركبات إلى القطب السالب من معدن الليثيوم (الأنود) أثناء الشحن، مما يؤدي إلى تفاقم المشكلة. وبالتالي، فإن فقدان الكبريت من الكاثود والتغييرات في تكوين الأنود يعيق بشكل كبير أداء البطارية أثناء ركوب الدراجات.

وفي دراسة سابقة حديثة، طور علماء أرجون مادة محفزة، والتي عند إضافتها بكمية صغيرة إلى كاثود الكبريت، تقضي بشكل أساسي على مشكلة فقدان الكبريت. وفي حين أظهر هذا المحفز نتائج واعدة في كل من الخلايا ذات الحجم التجاري والمختبري، إلا أن آلية عمله على المستوى الذري ظلت لغزًا حتى الآن.

وقد سلطت أحدث الأبحاث التي أجراها الفريق الضوء على هذه الآلية. في غياب المحفز، يتشكل بولي كبريتيد الليثيوم على سطح الكاثود ويخضع لسلسلة من التفاعلات، مما يؤدي في النهاية إلى تحويل الكاثود إلى كبريتيد الليثيوم (Li2S).

قال شو: "لكن وجود كمية صغيرة من المحفز في الكاثود يُحدث فرقًا كبيرًا". "يتبع ذلك مسار رد فعل مختلف تمامًا، وهو مسار خالٍ من خطوات التفاعل الوسيطة."

المفتاح هو تكوين فقاعات نانوية كثيفة من بولي كبريتيد الليثيوم على سطح الكاثود، والتي لا تظهر بدون المحفز. تنتشر بولي كبريتيدات الليثيوم بسرعة في جميع أنحاء هيكل الكاثود أثناء التفريغ وتتحول إلى كبريتيد الليثيوم الذي يتكون من بلورات نانوية الحجم. تمنع هذه العملية فقدان الكبريت وانخفاض الأداء في الخلايا ذات الحجم التجاري.

ولفتح هذا الصندوق الأسود حول آلية التفاعل، استخدم العلماء تقنيات التوصيف المتطورة. كشفت تحليلات بنية المحفز باستخدام حزم الأشعة السينية السنكروترونية المكثفة عند خط الشعاع 20-BM لمصدر الفوتون المتقدم، وهو مرفق مستخدم تابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة، أنه يلعب دورًا حاسمًا في مسار التفاعل. يؤثر هيكل المحفز على شكل وتكوين المنتج النهائي عند التفريغ، وكذلك المنتجات الوسيطة. مع المحفز، يتشكل كبريتيد الليثيوم البلوري النانوي عند التفريغ الكامل. وبدون المحفز، تتشكل هياكل على شكل قضبان مجهرية بدلاً من ذلك.

"يمكن لجهود فريقنا أن تقرب الولايات المتحدة خطوة كبيرة من مشهد نقل أكثر خضرة واستدامة." — غوي ليانغ شو، كيميائي في قسم العلوم والهندسة الكيميائية في أرجون

تقنية حيوية أخرى، تم تطويرها في جامعة شيامن، سمحت للفريق بتصور الواجهة البينية بين القطب والكهارل على مقياس النانو أثناء عمل خلية الاختبار. ساعدت هذه التقنية المبتكرة حديثًا على ربط التغييرات على المستوى النانوي بسلوك الخلية العاملة.

وأشار شو إلى أنه "بناء على اكتشافنا المثير، سنجري المزيد من الأبحاث لتصميم كاثودات كبريتية أفضل". "سيكون من المفيد أيضًا استكشاف ما إذا كانت هذه الآلية تنطبق على بطاريات الجيل التالي الأخرى، مثل بطاريات كبريت الصوديوم."

ومع هذا الإنجاز الأخير الذي حققه الفريق، يبدو مستقبل بطاريات الليثيوم والكبريت أكثر إشراقًا، مما يوفر حلاً أكثر استدامة وصديقًا للبيئة لصناعة النقل.

ظهر مقال عن هذا البحث في مجلة Nature. بالإضافة إلى شو، من بين المؤلفين شييوان تشو، جي شي، سانغي ليو، جين لي، فاي باي، يوهو تشن، جونكسيان دينغ، كيزنغ تشنغ، جياي لي، تشن تشاو، إنهوي هوانغ، تشنغ جون صن، يوزي ليو، يو دينغ ولينغ هوانغ، ويو تشياو، وجيان فنغ تشين، وخليل أمين، وشي جانج صن، وهونج جانج لياو.

وتشمل المؤسسات المشاركة الأخرى جامعة شيامن، وجامعة بكين للتكنولوجيا الكيميائية، وجامعة نانجينغ. تم دعم بحث أرجون من قبل مكتب تقنيات المركبات التابع لوزارة الطاقة في مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة.

حول مصدر الفوتون المتقدم

يعد مصدر الفوتون المتقدم (APS) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في مختبر أرغون الوطني أحد أكثر مرافق مصدر الضوء بالأشعة السينية إنتاجية في العالم. يوفر APS حزم الأشعة السينية عالية السطوع لمجموعة متنوعة من الباحثين في علوم المواد والكيمياء وفيزياء المواد المكثفة وعلوم الحياة والبيئة ، والبحوث التطبيقية. هذه الأشعة السينية مناسبة بشكل مثالي لاستكشاف المواد والهياكل البيولوجية. توزيع عنصري الحالات الكيميائية والمغناطيسية والإلكترونية ؛ ومجموعة واسعة من الأنظمة الهندسية المهمة من الناحية التكنولوجية من البطاريات إلى بخاخات حاقن الوقود ، وكلها أسس الرفاهية الاقتصادية والتكنولوجية والمادية لأمتنا. في كل عام ، يستخدم أكثر من 5,000 باحث وكالة الأنباء الجزائرية لإنتاج أكثر من 2,000 منشور يوضح تفاصيل الاكتشافات المؤثرة ، ويحلل بروتينات حيوية حيوية أكثر من مستخدمي أي منشأة بحثية أخرى ذات مصدر ضوء بالأشعة السينية. يبتكر علماء ومهندسو وكالة الأنباء الجزائرية تكنولوجيا تقع في صميم تقدم عمليات التسريع ومصادر الضوء. وهذا يشمل أجهزة الإدراج التي تنتج أشعة سينية ذات سطوع شديد يقدرها الباحثون ، وعدسات تركز الأشعة السينية حتى بضعة نانومتر ، وأجهزة تزيد من الطريقة التي تتفاعل بها الأشعة السينية مع العينات التي يتم دراستها ، والبرامج التي تجمع و يدير الكمية الهائلة من البيانات الناتجة عن أبحاث الاكتشاف في وكالة الأنباء الجزائرية.

استخدم هذا البحث موارد مصدر الفوتون المتقدم ، وهو مرفق لمستخدم العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية يعمل لصالح مكتب DOE للعلوم بواسطة مختبر أرغون الوطني بموجب العقد رقم DE-AC02-06CH11357.

####

حول مختبر وزارة الطاقة / أرغون الوطني
يبحث مختبر أرغون الوطني عن حلول للمشاكل الوطنية الملحة في العلوم والتكنولوجيا. يُجري Argonne أول مختبر وطني في البلاد ، أبحاثًا علمية أساسية وتطبيقية رائدة في كل تخصص علمي تقريبًا. يعمل باحثو أرغون عن كثب مع باحثين من مئات الشركات والجامعات والوكالات الفيدرالية والولائية والبلدية لمساعدتهم على حل مشكلاتهم المحددة ، وتعزيز القيادة العلمية الأمريكية ، وإعداد الأمة لمستقبل أفضل. مع موظفين من أكثر من 60 دولة ، تتم إدارة Argonne بواسطة UChicago Argonne، LLC لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية.

يعد مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية أكبر داعم للأبحاث الأساسية في العلوم الفيزيائية في الولايات المتحدة ويعمل على معالجة بعض التحديات الأكثر إلحاحًا في عصرنا. للمزيد من المعلومات قم بزيارة https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.

لمزيد من المعلومات ، يرجى الضغط هنا

جهات الاتصال:
ديانا أندرسون
مختبر وزارة الطاقة / الأرجون الوطني

حقوق النشر © DOE / Argonne National Laboratory

إذا كان لديك تعليق ، من فضلك اتصل بنا لنا.

جهات إصدار النشرات الإخبارية ، وليس 7th Wave، Inc. أو Nanotechnology Now ، هي المسؤولة وحدها عن دقة المحتوى.

المرجعية:

روابط ذات صلة

عنوان المقال

أخبار ذات صلة الصحافة

الأخبار والمعلومات

قام باحثون من جامعة تشونغ أنغ بتطوير جهاز استشعار حيوي جديد للحمض النووي للتشخيص المبكر لسرطان عنق الرحم: جهاز الاستشعار الكهروكيميائي، المصنوع من صفائح نانوية نانوية من البصل / الموليبدينوم، مركب من صفائح نانوية نانوية، يكتشف فيروس الورم الحليمي البشري (HPV) -16 وHPV-18، بدقة عالية. 8 سبتمبر، 2023

مركب جديد يطلق العنان لجهاز المناعة على النقائل 8 سبتمبر، 2023

يساهم التعلم الآلي في تصحيح الأخطاء الكمومية بشكل أفضل 8 سبتمبر، 2023

لم تجد الاختبارات أي أنابيب نانوية قائمة بذاتها تم إطلاقها من تآكل مداس الإطار 8 سبتمبر، 2023

الكم يمكّن الباحثين من رؤية ما هو غير مرئي 8 سبتمبر، 2023

التصوير

الكم يمكّن الباحثين من رؤية ما هو غير مرئي 8 سبتمبر، 2023

حققت USTC التصوير الديناميكي للكيمياء الكهربية السطحية أغسطس 11th، 2023

قد يؤدي الاكتشاف إلى تقنية تيراهيرتز لاستشعار الكم: خصائص أكسيد المعدن يمكن أن تتيح نطاقًا واسعًا من فوتونات تردد التيراهيرتز يوليو 21st، 2023

صورة الصحة: ​​يقوم باحثو Virginia Tech بتحسين التصوير الحيوي والاستشعار باستخدام الضوئيات الكمومية 30 يونيو، 2023

المختبرات

محفز جديد يمكن أن يقلل بشكل كبير من تلوث غاز الميثان من ملايين المحركات: يوضح الباحثون طريقة لإزالة غازات الاحتباس الحراري القوية من عوادم المحركات التي تحرق الغاز الطبيعي. يوليو 21st، 2023

تجربة الترابط غير التساهمي: يكتشف العلماء هياكل جديدة للمواد الهجينة الفريدة من خلال تغيير روابطهم الكيميائية يوليو 21st، 2023

كشف النقاب عن رقصة الكم: التجارب تكشف عن العلاقة بين الديناميكيات الاهتزازية والإلكترونية: اقتران الديناميكيات الإلكترونية والنووية التي تم الكشف عنها في الجزيئات مع أشعة الليزر فائقة السرعة والأشعة السينية يوليو 21st، 2023

الحكومة - التشريع / التنظيم / التمويل / السياسة

الكم يمكّن الباحثين من رؤية ما هو غير مرئي 8 سبتمبر، 2023

تعتبر أيونات الكلوريد من مياه البحر بمثابة بديل محتمل لليثيوم في بطاريات المستقبل أغسطس 11th، 2023

تقنية الوشم تنقل الأنماط النانوية الذهبية إلى الخلايا الحية أغسطس 11th، 2023

يحصل حاضر ومستقبل الحوسبة على دفعة من الأبحاث الجديدة يوليو 21st، 2023

العقود الآجلة المحتملة

قام باحثون من جامعة تشونغ أنغ بتطوير جهاز استشعار حيوي جديد للحمض النووي للتشخيص المبكر لسرطان عنق الرحم: جهاز الاستشعار الكهروكيميائي، المصنوع من صفائح نانوية نانوية من البصل / الموليبدينوم، مركب من صفائح نانوية نانوية، يكتشف فيروس الورم الحليمي البشري (HPV) -16 وHPV-18، بدقة عالية. 8 سبتمبر، 2023

مركب جديد يطلق العنان لجهاز المناعة على النقائل 8 سبتمبر، 2023

يساهم التعلم الآلي في تصحيح الأخطاء الكمومية بشكل أفضل 8 سبتمبر، 2023

لم تجد الاختبارات أي أنابيب نانوية قائمة بذاتها تم إطلاقها من تآكل مداس الإطار 8 سبتمبر، 2023

اكتشافات

يتيح الاكتشاف الإلكتروني لكرات الحمض النووي النانوية اكتشاف مسببات الأمراض بشكل بسيط، منشور خاضع لمراجعة النظراء 8 سبتمبر، 2023

تدريب أجهزة الكمبيوتر الكمومية: فاز الفيزيائيون بجائزة IBM المرموقة 8 سبتمبر، 2023

إطلاق العنان للإمكانات الكمومية: تسخير الحالات الكمومية عالية الأبعاد باستخدام QDs وOAM: إنشاء حالات متشابكة قائمة على OAM حتمية تقريبًا يوفر جسرًا بين التقنيات الضوئية للتقدم الكمي 8 سبتمبر، 2023

لم تجد الاختبارات أي أنابيب نانوية قائمة بذاتها تم إطلاقها من تآكل مداس الإطار 8 سبتمبر، 2023

الإعلانات

يتيح الاكتشاف الإلكتروني لكرات الحمض النووي النانوية اكتشاف مسببات الأمراض بشكل بسيط، منشور خاضع لمراجعة النظراء 8 سبتمبر، 2023

تدريب أجهزة الكمبيوتر الكمومية: فاز الفيزيائيون بجائزة IBM المرموقة 8 سبتمبر، 2023

يساهم التعلم الآلي في تصحيح الأخطاء الكمومية بشكل أفضل 8 سبتمبر، 2023

لم تجد الاختبارات أي أنابيب نانوية قائمة بذاتها تم إطلاقها من تآكل مداس الإطار 8 سبتمبر، 2023

السيارات / النقل

لم تجد الاختبارات أي أنابيب نانوية قائمة بذاتها تم إطلاقها من تآكل مداس الإطار 8 سبتمبر، 2023

محفز جديد يمكن أن يقلل بشكل كبير من تلوث غاز الميثان من ملايين المحركات: يوضح الباحثون طريقة لإزالة غازات الاحتباس الحراري القوية من عوادم المحركات التي تحرق الغاز الطبيعي. يوليو 21st، 2023

يطور الباحثون أداة مبتكرة لقياس ديناميات الإلكترون في أشباه الموصلات: قد تؤدي الرؤى إلى مزيد من الرقائق والأجهزة الإلكترونية الموفرة للطاقة مسيرة 3rd، 2023

ما وراء الليثيوم: مادة كاثودية واعدة لبطاريات المغنيسيوم القابلة لإعادة الشحن: يكتشف العلماء التركيب الأمثل لبطارية المغنيسيوم الثانوية للبطارية لتحقيق قابلية دوران أفضل وقدرة بطارية عالية 10 فبراير، 2023

تكنولوجيا البطارية / المكثفات / المولدات / الكهروإجهادية / الكهروحرارية / تخزين الطاقة

قام باحثون من جامعة تشونغ أنغ بتطوير جهاز استشعار حيوي جديد للحمض النووي للتشخيص المبكر لسرطان عنق الرحم: جهاز الاستشعار الكهروكيميائي، المصنوع من صفائح نانوية نانوية من البصل / الموليبدينوم، مركب من صفائح نانوية نانوية، يكتشف فيروس الورم الحليمي البشري (HPV) -16 وHPV-18، بدقة عالية. 8 سبتمبر، 2023

تعتبر أيونات الكلوريد من مياه البحر بمثابة بديل محتمل لليثيوم في بطاريات المستقبل أغسطس 11th، 2023

محفزات الكربوهيدرات القائمة على الجرافين: التركيب والخصائص والتطبيقات - ما وراء الحدود 9 يونيو، 2023

توجيه الطاقة الميكانيكية في الاتجاه المفضل 14 أبريل، 2023

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون السيارات / المركبات الكهربائية ، كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• تشارت بريم. ارفع مستوى لعبة التداول الخاصة بك مع ChartPrime. الوصول هنا.
• BlockOffsets. تحديث ملكية الأوفست البيئية. الوصول هنا.
• المصدر http://www.nanotech-now.com/news.cgi?story_id=57392