بطاريات الليثيوم الكبريت لبرامج الفضاء المستقبلية
اليوم ، يتم استخدام البطاريات في برامج الفضاء بشكل أساسي كمصادر طاقة احتياطية ، عندما تكون الأجهزة في الظل ولا يمكنها تلقي الطاقة من الألواح الشمسية ، أو في بدلات الفضاء للخروج إلى الفضاء الخارجي. لكن أنواع البطاريات المستخدمة اليوم (Li-ion ، Ni-H 2 ) لها عدد من القيود. أولاً ، إنهم مرهقون للغاية ، لأن التفضيل لا يُعطى لكثافة الطاقة ، ولكن للأمن ، نتيجة لآليات الحماية المتعددة لتقليل الحجم لا يساهم على الإطلاق. وثانيًا ، للبطاريات الحديثة حدود لدرجات الحرارة ، وفي البرامج المستقبلية ، اعتمادًا على الموقع ، يمكن أن تتراوح درجات الحرارة من -150 درجة مئوية إلى +450 درجة مئوية.
المصدربالإضافة إلى ذلك ، لا تنس زيادة إشعاع الخلفية. بشكل عام ، يجب ألا تكون البطاريات المستقبلية لصناعة الفضاء مدمجة ودائمة وآمنة ومكثفة للطاقة فحسب ، بل تعمل أيضًا في درجات حرارة عالية أو منخفضة ، وكذلك في ظروف خلفية الإشعاع المتزايدة. بطبيعة الحال ، لا توجد مثل هذه التكنولوجيا السحرية اليوم. ومع ذلك ، هناك تطورات علمية واعدة تحاول الاقتراب من متطلبات البرامج المستقبلية. على وجه الخصوص ، أود أن أتحدث عن اتجاه واحد في البحث ، والذي تدعمه وكالة ناسا في إطار برنامج تطوير اللعبة المتغيرة (GCD).نظرًا لأن الجمع بين جميع المواصفات المذكورة أعلاه في بطارية واحدة يعد مهمة صعبة ، فإن الهدف الرئيسي لوكالة ناسا اليوم هو الحصول على بطاريات أكثر إحكاما وكثيفة الطاقة وأكثر أمانا. كيف تحقق هذا الهدف؟بادئ ذي بدء ، لزيادة استهلاك الطاقة بشكل كبير لكل وحدة حجم ، هناك حاجة إلى بطاريات بمواد جديدة بشكل أساسي للأقطاب الكهربائية ، لأن قدرات بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) محدودة بقدرات المواد للكاثود (حوالي 250 مللي أمبير / جرام للأكاسيد) والأنود ( حوالي 370 مللي أمبير / جرام للجرافيت) ، بالإضافة إلى حدود الجهد التي يكون فيها المنحل بالكهرباء مستقرًا. وأحد التقنيات التي تسمح بزيادة السعة باستخدام تفاعلات جديدة بشكل أساسي بدلاً من التداخل على الأقطاب الكهربائية هي بطاريات الليثيوم الكبريت (Li-S) ، التي يحتوي أنودها على الليثيوم المعدني ، ويستخدم الكبريت كمادة نشطة للكاثود. يشبه تشغيل بطارية الليثيوم والكبريت إلى حد ما تشغيل بطارية أيونات الليثيوم: تشارك أيونات الليثيوم في نقل الشحنة هناك وهناك. ولكن على عكس Li-ion ، لا تتكامل الأيونات في Li-S في البنية الطبقية للكاثود ،وأدخل في رد الفعل التالي معه:2 Li + S -> Li 2 S
على الرغم من أنه في الممارسة العملية ، يبدو رد الفعل عند الكاثود كما يلي:ق 8 -> لي 2 اس 8 -> لي 2 اس 6 -> لي 2 اس 4 -> لي 2 اس 2 -> لي 2 اس
المصدرالميزة الرئيسية لمثل هذه البطارية هي قدرتها العالية ، التي تزيد 2-3 مرات عن سعة بطاريات أيونات الليثيوم. لكن في الواقع ، ليس كل شيء وردية للغاية. عند إعادة الشحن ، تستقر أيونات الليثيوم على الأنود على أنها مروعة ، وتشكل سلاسل معدنية (التشعبات) ، مما يؤدي في النهاية إلى دائرة كهربائية قصيرة. بالإضافة إلى ذلك ، تؤدي التفاعلات بين الليثيوم والكبريت في الكاثود إلى تغييرات كبيرة في حجم المادة (حتى 80 ٪) ، بحيث يتم تدمير القطب بسرعة ، ومركبات الكبريت نفسها هي موصلات سيئة ، لذلك يجب إضافة الكثير من مادة الكربون إلى الكاثود. وأخيرًا ، والأهم من ذلك ، أن منتجات التفاعل الوسيطة (polysulfides) تذوب تدريجياً في المنحل بالكهرباء العضوي و "تنتقل" بين الأنود والكاثود ، مما يؤدي إلى تفريغ ذاتي قوي جدًا.لكن كل المشاكل المذكورة أعلاه تحاول حل مجموعة من العلماء من جامعة ماريلاند (UMD) ، التي فازت بمنحة من وكالة ناسا. فكيف توصل العلماء إلى حل كل هذه المشاكل؟ أولاً ، قرروا "مهاجمة" إحدى المشاكل الرئيسية لبطاريات الليثيوم الكبريت ، وهي التفريغ الذاتي. وبدلاً من إلكتروليت سائل عضوي ، والذي ، كما ذكر أعلاه ، يذيب المواد النشطة تدريجيًا ، استخدم إلكتروليت خزفيًا صلبًا ، أو بالأحرى Li 6 PS 5 Cl ، الذي ينقل أيونات الليثيوم بشكل جيد من خلال شبكته البلورية.ولكن إذا حلت الشوارد الصلبة مشكلة واحدة ، فإنها تخلق أيضًا صعوبات إضافية. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي التغييرات الكبيرة في حجم الكاثود أثناء التفاعل إلى فقدان سريع للتلامس بين القطب الصلب والكهارل ، وانخفاض حاد في سعة البطارية. لذلك ، اقترح العلماء حلاً أنيقًا: ابتكروا مركبًا نانويًا يتكون من جزيئات نانوية من المادة الفعالة للكاثود (LI 2 S) والكهارل (Li 6 PS 5 Cl) داخل مصفوفة كربونية.المصدريحتوي هذا المركب النانوي على المزايا التالية: أولاً ، توزيع الجسيمات النانوية للمادة التي تتغير في الحجم أثناء التفاعل مع الليثيوم في الكربون ، والتي لا يزال حجمها دون تغيير عمليًا ، ويحسن الخصائص الميكانيكية للمركب النانوي (ليونة وقوة) ويقلل من خطر التشقق. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الكربون لا يحسن الموصلية فحسب ، بل لا يتداخل أيضًا مع حركة أيونات الليثيوم ، لأنه يحتوي أيضًا على موصلية أيونية جيدة. وبسبب حقيقة أن المواد النشطة هي بنية نانوية ، ليس على الليثيوم السفر لمسافات طويلة للتفاعل ، ويتم استخدام الحجم الكامل للمادة بكفاءة أكبر. وأخيرًا ، فإن استخدام مثل هذا المركب يحسن الاتصال بين المنحل بالكهرباء والمواد الفعالة والكربون الموصل.ونتيجة لذلك ، حصل العلماء على بطارية صلبة بالكامل بسعة حوالي 830 مللي أمبير / جرام. بالطبع ، من السابق لأوانه الحديث عن إطلاق مثل هذه البطارية في الفضاء ، لأن هذه البطارية تعمل لمدة 60 دورة شحن / تفريغ فقط. ولكن في الوقت نفسه ، على الرغم من هذه الخسارة السريعة للقدرة ، فإن 60 دورة تعد بالفعل تحسنًا كبيرًا مقارنة بالنتائج السابقة ، لأنه قبل ذلك ، لم تعمل بطاريات الليثيوم الكبريت الصلبة لأكثر من 20 دورة. وتجدر الإشارة أيضًا إلى أن هذه الكهارل الصلبة يمكن أن تعمل في نطاق درجة حرارة واسعة (بالمناسبة ، فإنها تعمل بشكل أفضل في درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية) ، بحيث تكون حدود درجة حرارة هذه البطاريات أكثر احتمالية بسبب المواد النشطة من بالكهرباء ، والتي تميز هذه الأنظمة من البطاريات باستخدام المحاليل العضوية كمحلل للكهرباء. Source: https://habr.com/ru/post/ar398529/
All Articles