باتری‌های لیتیوم-اکسیژن (Li-O₂) یکی از فناوری‌های امیدوارکننده برای نسل آینده ذخیره‌سازی انرژی محسوب می‌شوند. این باتری‌های Li-O2 Batteries در تئوری می‌توانند در مقایسه با باتری‌های لیتیوم-یون معمولی، انرژی بسیار بیشتری را با وزن مشابه ذخیره کنند. بااین‌حال، عمر چرخه‌ای کوتاه و کاهش سریع عملکرد، تاکنون از مهم‌ترین موانع توسعه عملی این فناوری بوده است. این نوع باتری‌ها که گاهی با عنوان باتری لیتیوم-هوا نیز شناخته می‌شوند، از اکسیژن به‌عنوان یکی از اجزای اصلی واکنش الکتروشیمیایی استفاده می‌کنند.

پژوهشگران چینی راهکاری جدید برای رفع برخی از این مشکلات ارائه کرده‌اند که بر پایه افزودن یک کاتالیست محلول به الکترولیت است. این ماده به‌عنوان یک واسطه اکسایش-کاهش (Redox Mediator) عمل می‌کند و با تسهیل انتقال بار، کاهش اضافه‌پتانسیل و جلوگیری از غیرفعال‌شدن الکترودها، عملکرد و طول عمر باتری لیتیوم-اکسیژن را بهبود می‌دهد.

باتری لیتیوم-اکسیژن (Li-O₂) چگونه کار می‌کند؟

در باتری‌های لیتیوم-یون، یون‌های لیتیوم میان دو الکترود جابه‌جا می‌شوند؛ اما در باتری لیتیوم-اکسیژن، آند از لیتیوم فلزی ساخته شده و اکسیژن در واکنش‌های الکتروشیمیایی کاتد نقش مهمی دارد.

هنگام تخلیه باتری، یون‌های مثبت لیتیوم از آند جدا شده و به سمت کاتد متخلخل حرکت می‌کنند. در کاتد، اکسیژن واکنش داده و در نهایت پراکسید لیتیوم (Li₂O₂) تشکیل می‌شود. هنگام شارژ، این فرایند معکوس شده و اکسیژن آزاد می‌شود و یون‌های لیتیوم دوباره به لیتیوم فلزی تبدیل شده و روی آند رسوب می‌کنند.

اگرچه این سازوکار از نظر تئوری ظرفیت انرژی بسیار بالایی ایجاد می‌کند، اما در عمل مشکلات متعددی عملکرد باتری‌های Li-O₂ را محدود می‌کنند.

چرا عمر باتری‌های لیتیوم-اکسیژن کوتاه است؟

یکی از مهم‌ترین مشکلات باتری‌های لیتیوم-اکسیژن، اضافه‌پتانسیل بالا و کند بودن واکنش‌های الکتروشیمیایی است. تشکیل و تجزیه Li₂O₂ نامحلول به‌آرامی انجام می‌شود و رسانایی الکتریکی پایین این ترکیب نیز انتقال بار را دشوار می‌کند.

از سوی دیگر، تجمع Li₂O₂ می‌تواند منافذ کاتد را مسدود کرده و جریان اکسیژن را کاهش دهد. همچنین، پتانسیل بالای موردنیاز برای آزادسازی اکسیژن می‌تواند موجب تجزیه الکترولیت و ایجاد واکنش‌های جانبی ناخواسته شود. مجموع این عوامل باعث می‌شود بسیاری از باتری‌های لیتیوم-اکسیژن پس از تعداد محدودی چرخه شارژ و تخلیه، بخش قابل‌توجهی از عملکرد اولیه خود را از دست بدهند.

استفاده از نمک یدید ایمیدازولیوم برای افزایش عمر باتری

گروهی از پژوهشگران به سرپرستی Zhong-Shuai Wu از مؤسسه فیزیک شیمی دالیان، دانشگاه آکادمی علوم چین، با همکاری Xiangkun Ma از دانشگاه دریانوردی دالیان، راهکاری جدید برای بهبود عملکرد باتری‌های Li-O₂ پیشنهاد کرده‌اند.

در این روش، مقدار مشخصی از نمک (1,3-dimethylimidazolium iodide, DMII) به الکترولیت اضافه می‌شود. این ترکیب می‌تواند هم به‌عنوان کاتالیست و هم به‌عنوان واسطه انتقال الکترون و اکسایش-کاهش عمل کند.

یون‌های یدید موجود در این نمک می‌توانند به‌راحتی میان گونه‌های ^⁻I و ^⁻I^₃ تبدیل شوند و یک زوج اکسایش-کاهش ^⁻I^₃⁻/I ایجاد کنند. این فرایند به انتقال الکترون در طول چرخه شارژ و تخلیه کمک کرده و واکنش‌های الکتروشیمیایی مرتبط با اکسیژن را تسریع می‌کند. در نتیجه، اضافه‌پتانسیل کاتد کاهش یافته و ظرفیت تخلیه سلول الکتروشیمیایی افزایش پیدا می‌کند.

نقش یون‌های ایمیدازولیوم در پایدارسازی آند

یکی دیگر از ویژگی‌های مهم DMII، نقش یون‌های ⁺DMI است. این یون‌ها دارای یک حلقه متشکل از سه اتم کربن و دو اتم نیتروژن هستند که الکترون‌های آن قابلیت تحرک بالایی دارند.

این ساختار می‌تواند در هنگام تخلیه، یون‌های لیتیوم را جذب کرده و انتقال آن‌ها به سمت اکسیژن در کاتد را تسهیل کند. علاوه بر این، یون‌های ⁺DMI روی سطح آند لیتیومی یک لایه بین‌سطحی بسیار نازک و پایدار تشکیل می‌دهند.

این لایه از تماس مستقیم الکترولیت با سطح لیتیوم جلوگیری می‌کند و در نتیجه، تجزیه الکترولیت و واکنش‌های جانبی کاهش می‌یابد. به این ترتیب، پایداری آند افزایش پیدا کرده و عمر چرخه‌ای باتری لیتیوم-اکسیژن بهبود می‌یابد.

عملکرد چشمگیر باتری لیتیوم-اکسیژن اصلاح‌شده

نتایج آزمایش‌های الکتروشیمیایی انجام‌شده توسط این گروه پژوهشی امیدوارکننده بوده است. سلول‌های آزمایشی به اضافه‌پتانسیل بسیار پایین 0.52 ولت دست یافتند و در چگالی جریان 500 میلی‌آمپر بر گرم، پایداری چرخه‌ای بیش از 960 ساعت را نشان دادند.

همچنین تشکیل و تجزیه Li₂O₂ به‌صورت برگشت‌پذیر انجام شد و در آزمایش‌ها نشانه‌ای از واکنش‌های جانبی نامطلوب مشاهده نشد. این نتایج نشان می‌دهد که استفاده از ترکیبات ایمیدازولیوم می‌تواند رویکردی قابل‌توجه برای حل برخی از چالش‌های اساسی باتری‌های لیتیوم-اکسیژن باشد.

چشم‌انداز آینده باتری‌های لیتیوم-اکسیژن

افزایش چگالی انرژی، کاهش اضافه‌پتانسیل و افزایش عمر چرخه‌ای از مهم‌ترین اهداف پژوهش در زمینه باتری‌های Li-O₂ هستند. استفاده از افزودنی‌های ایمیدازولیومی و واسطه‌های اکسایش-کاهش می‌تواند مسیر تازه‌ای برای کنترل واکنش‌های الکتروشیمیایی و افزایش پایداری این باتری‌ها ایجاد کند.

پژوهشگران معتقدند این مطالعه می‌تواند زمینه را برای طراحی خانواده جدیدی از افزودنی‌های ایمیدازولیومی با هدف ساخت باتری‌های لیتیوم-اکسیژن با عملکرد و طول عمر بالاتر فراهم کند. با ادامه تحقیقات در این حوزه، فناوری Li-O₂ همچنان یکی از گزینه‌های مورد توجه برای توسعه سامانه‌های پیشرفته ذخیره انرژی با چگالی انرژی بالا خواهد بود.

جمع‌بندی

باتری‌های لیتیوم-اکسیژن (Li-O₂) به دلیل برخورداری از ظرفیت بالقوه بسیار بالا، یکی از فناوری‌های مورد توجه برای نسل آینده سامانه‌های ذخیره انرژی هستند؛ اما مشکلاتی مانند اضافه‌پتانسیل بالا، واکنش‌های کند، تجمع Li₂O₂، تجزیه الکترولیت و عمر چرخه‌ای کوتاه، مانع توسعه گسترده آن‌ها شده است.

دستیابی به اضافه‌پتانسیل 0.52 ولت و پایداری بیش از 960 ساعت در چگالی جریان 500 میلی‌آمپر بر گرم، ظرفیت این رویکرد را برای بهبود عملکرد و افزایش عمر باتری‌های لیتیوم-اکسیژن نشان می‌دهد. این دستاورد می‌تواند به طراحی افزودنی‌های جدید و توسعه باتری‌های Li-O₂ با عملکرد و طول عمر بیشتر کمک کند.