סוללות העתיד – ליתיום גופרית עם מעטפת גרפן

מה מקבלים כאשר כורכים יריעה דקיקה של "חומר הפלא" גרפן מסביב לאלקטרודת גופרית בי-תפקודית חדשנית המשלבת בתוכה יחידה לאחסון אנרגיה יחד עם מערכת להעברת מטען חשמלי? אלקטרודה מבטיחה במיוחד עבור סוללות ליתיום-גופרית נטענות.

סוללות ליתיום-גופרית הן בעלות עניין מסחרי ניכר מאחר והן עשויות להוליד קיבולות אנרגיה הרבה יותר גבוהות מאשר אלו הקיימות היום בסוללות יון ליתיום. במאמר שפורסם זה מכבר בכתב-העת המדעי APL Materials מתאר צוות חוקרים בראשות ד"ר Vasant Kumarמאוניברסיטת קיימברידג' ופרופסורRenjie Chen מהמכון הטכנולוגי של בייג'ינג את העיצוב שלהם עבור קתודת גופרית בי-תפקודית בקנה מידה ננומטרי שנועדה לשפר סוגיות ביצועים דוגמת יעילות נמוכה והידרדרות בקיבולת.

חומרים מסוג שלדות מתכתיות-אורגניות (metal-organic frameworks, MOFs) זוכים לאחרונה לתשומת-לב מרובה הודות לשימוש בהם במגוון יישומים כמו אחסון מימן, לכידת פחמן דו-חמצני, קטליזה ופיתוח ממברנות מיוחדות. לשם פיתוח הקתודה שלהם, צוות החוקרים השתמש בשלדה כזו בתור תבנית ליצירת כלוב פחמן נקבובי מוליך חשמל – כלוב שבו הגופרית משמשת בתור החומר המארח וכל אחד מחלקיקי הפחמן-גופרית משמש בתור יחידה לאחסון אנרגיה שם מתרחשות התגובות האלקטרוכימיות.

"פיגום הפחמן שלנו מתפקד בתור מחסום פיזי התוחם את החומרים הפעילים בתוך המבנה הנקבובי," מסביר אחד מהחוקרים. "עיצוב זה מוביל ליציבות מוגברת ולהגדלת יעילות הביצועים". החוקרים גילו גם כי עיטוף יחידת אחסון האנרגיה המורכבת מגופרית-פחמן ביריעה דקיקה של גרפן גמיש מאיצה את העברתם של האלקטרונים והיונים, כלומר מאיצה את קצב זרימת החשמל במבנה. מה עומד בבסיס הקיבולת המשופרת? לפי החוקרים, ניתן ליצור מנגנונים קינטיים להעברה מהירה של מטענים בעזרת קישור לרשת גרפן בעלת מוליכות חשמלית גבוהה. העבודה של החוקרים מוכיחה כי מבנה מרוכב של פיגום נקבובי המחובר לחומרים מוליכי חשמל יכול להוות עיצוב מבני מבטיח לאלקטרודה שתוכל לשמש בסוללות נטענות. עבודה זו מספקת "גישה בסיסית, אך גמישה, הן עבור הגברת השימוש בגופרית והן עבור שיפור יציבותן של סוללות," מציין החוקר הראשי. "שינוי יחידת האחסון או השלדה באמצעות החדרת אטומים/חומרים אחרים (הַסְמָמָה, doping), או באמצעות הוספת ציפוי פולימרי, יוכל לקדם את רמת הביצועים לרמה חדשה לחלוטין."

מבחינת היישומים, העיצוב הייחודי והחדשני של הסוללה, המשלב בין אחסון אנרגיה ובין קבלת רשת של אלקטרונים/יונים, סולל את הדרך לפיתוח מערכות לאחסון אנרגיה המבוססות על תגובות כימיות בעלות ביצועים גבוהים, תגובות שאינן כרוכות בשינוי מבני או אטומי של מבנה הגביש המוצק.