Batarya araştırmalarını takip edenler, kükürdün bu alanda sıkça karşımıza çıktığını fark edecektir. Bunun temel nedeni, kükürtün lityum için harika bir depolama malzemesi olması ve lityum-kükürt bataryalarında etkileyici enerji yoğunluklarına olanak sağlamasıdır. Ancak kükürtün geniş bir kimyasal reaksiyon yelpazesine katılabilmesi, lityum-kükürt bataryalarının hızla bozulmasını ve istenmeyen maddeler oluşturmasını engellemeyi zorlaştırmıştır. Bu nedenle, onlarca yıllık araştırmaya rağmen, piyasaya sürülen lityum-kükürt bataryası sayısı oldukça azdır.
Ancak Çinli araştırmacılardan oluşan bir ekip, kükürtün karmaşık kimyasını bir avantaja dönüştürmeyi başardı. Bu yeni teknoloji, klorun da kimyada rol aldığı bir sodyum-kükürt bataryasında kükürdü anahtar elektron vericisi olarak kullanıyor. Sonuç, en azından laboratuvar ortamında, inanılmaz derecede ucuz malzemelerle ağırlık başına etkileyici bir enerji sunuyor.
Kükürt Kimyasının Gücü
Kükürt, periyodik tabloda oksijenin hemen altında yer alır, bu da kimyasının benzer olabileceği düşünülebilir. Ancak durum böyle değildir. Oksijen gibi, biyolojik kimya dahil olmak üzere kovalent bağ oluşumuna katılabilir. Ayrıca, incelenen bazı atomik derecede ince malzemelerde görüldüğü gibi, metallerden elektron alabilir. Bununla birlikte, klor ve oksijen gibi elementlerle kimyasal bileşikler oluşturarak elektron vermeye de isteklidir.
Yeni makalenin arkasındaki araştırmacılar, bu son özelliğe odaklanmış durumda. Saf kükürt, uygun koşullar altında toplam 32 elektron verebilen sekiz atomlu bir kompleks oluşturur. Asıl zorluk, bu uygun koşulları bulmaktı.
Sistemde katot olarak saf kükürt, anot olarak ise sadece bir alüminyum şeridi kullanıldı. Araştırmacıların test ettiği elektrolitler, yüksek oranda alüminyum, sodyum ve klor içeriyordu (genellikle sekiz molar alüminyum klorür ve dört buçuk molar bir sodyum tuzu çözeltisi gibi). Alüminyum, anot folyoyu stabilize etmeye yardımcı olurken, diğer iki kimyasal madde bataryayı çalıştıran reaksiyonlara katılıyor.
Batarya deşarj olmaya başladığında, katottaki kükürt elektron kaybetmeye ve elektrolitten çaldığı klorürleri kullanarak tetraklorür (SCl₄) oluşturmaya başlıyor. Elektronlar anota akarken, sodyum ile birleşerek alüminyum üzerine kaplanıyor ve bir sodyum metal tabakası oluşturuyor. Sodyumun su ile ne kadar güçlü tepkimeye girdiği düşünüldüğünde, bunun sulu bir elektrolitle çalışmayacağı açıktır.
Yüksek Kapasite Potansiyeli
Çalışan bir batarya oluşturmak için araştırmacılar, iki elektrodu bir cam elyaf malzeme ile ayırdılar. Ayrıca, tetraklorürün elektrolite yayılmasını önlemek için katoda gözenekli bir karbon malzemesi eklediler. Sodyumun alüminyum üzerine kaplandığını ve katottaki reaksiyonun disülfür klorür ara ürünleri aracılığıyla gerçekleştiğini doğrulamak için çeşitli teknikler kullandılar. Sodyum klorürün, bataryadaki bazı katı maddeler üzerine çökelme eğiliminde olması nedeniyle sodyum iyonları için zayıf bir kaynak olduğunu da belirlediler.
Batarya oldukça stabildi ve önemli bir kapasite düşüşü yaşamadan önce 1.400 döngüyü tamamladı. Daha yüksek şarj hızları kapasitenin daha hızlı düşmesine neden olsa da, batarya kullanılmadığında şarjını iyi bir şekilde koruyarak, 400 gün beklemede bile şarjının %95'inden fazlasını muhafaza ediyor.
Araştırmacılar bazı ağırlık başına kapasite ölçümleri sunsalar da, tam bir batarya için değil, kükürt veya toplam elektrot kütlesi gibi batarya bölümleri üzerinde odaklanmışlardır.
Ancak her iki elektrot da dikkate alındığında, enerji yoğunluğu kilogram başına 2.000 Watt-saatin üzerine çıkabiliyor. Bu değer, bataryanın toplam kütlesiyle kaçınılmaz olarak düşecek olsa da, mevcut sodyum-kükürt veya sodyum-iyon bataryalarından daha iyi performans göstereceği düşünülüyor.
Kapasitenin ötesinde, önerilen sistemin en büyük faydası fiyatı gibi görünüyor. Hammaddeler göz önüne alındığında, araştırmacılar maliyetlerinin kilogram-saat başına yaklaşık 5 dolar olduğunu tahmin ediyorlar, bu da mevcut sodyum bataryalarının maliyetinin onda birinden az.
Yine de, bu çalışmanın mevcut teknolojilerle rekabetçi kalacak şekilde üretime ölçeklendirilebileceğinin garantisi yok. Bununla birlikte, mevcut batarya teknolojilerinde kullanılan malzemeler pahalı hale gelirse, keşfedilecek başka seçeneklerin olması rahatlatıcı.
