يعمل الطلاء الواقي الجديد على تحسين عمر دورة بطارية معدن الليثيوم بشكل كبير

الملخص:

طوّر باحثون صينيون طبقة واقية رقيقة لأنودات معدن الليثيوم، والتي من المتوقع أن تحل المشاكل التقنية الرئيسية التي تواجهها بطاريات الحالة الصلبة بالكامل لفترة طويلة. وفي الاختبارات المعملية، حافظت البطاريات المعالجة بهذا الطلاء على 82.3% من سعتها الأولية بعد 300 دورة شحن وتفريغ؛ وبالمقارنة، حافظت بطارية التحكم التي تستخدم معدن الليثيوم غير المعالج على معدل الاحتفاظ بالقدرة بنسبة 43.0% فقط.

تم الانتهاء من هذا البحث من قبل فريق البحث العلمي من جامعة شيان للعلوم والتكنولوجيا الإلكترونية، وتم نشر النتائج في مجلة "Science China Chemistry". يستخدم الباحثون معالجة كيميائية سائلة بسيطة لتشكيل طبقة واقية على سطح معدن الليثيوم، مما يوفر أفكارًا جديدة لتحسين استقرار وعمر خدمة بطاريات الجيل التالي.

يعتبر معدن الليثيوم مادة مرشحة مهمة للبطاريات ذات كثافة الطاقة العالية، بل ويطلق عليه "الكأس المقدسة" في مجال تخزين الطاقة. من الناحية النظرية، يمكن لمعدن الليثيوم تخزين ما يقرب من عشرة أضعاف كمية الكهرباء لكل جرام من القطب السالب للجرافيت المستخدم في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. إذا أمكن الاستفادة من هذه الميزة بالكامل، فمن المتوقع أن تقوم البطاريات المستقبلية بتخزين المزيد من الطاقة تحت نفس الوزن، وبالتالي تقليل وزن حزمة البطارية وتوفير نطاق قيادة أطول للسيارات الكهربائية.

ومع ذلك، فإن معدن الليثيوم يكون عرضة للترسب بشكل غير متساو أثناء عملية الشحن والتفريغ، مما يشكل هياكل حادة تسمى تشعبات الليثيوم. قد تستمر هذه التشعبات في النمو وفي نهاية المطاف تخترق الهيكل الداخلي للبطارية، مما يتسبب في حدوث دوائر قصيرة ومخاطر تتعلق بالسلامة. في الوقت نفسه، هناك أيضًا مشكلات في الاستقرار الكيميائي بين معدن الليثيوم والكهارل الصلب الكبريتيد، وستؤثر التفاعلات البينية على أداء البطارية وعمر الدورة. لقد كانت هذه المشكلات دائمًا بمثابة عقبات مهمة أمام التطبيق العملي لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل من معدن الليثيوم.

لحل هذه المشكلة، قام فريق يضم باحثين يضم Li Siwu وWu Weiwei وYu Chuang بدمج بوليمر قائم على السيليكون مع كلوريد الإنديوم لإنشاء مادة سائلة يمكن طلاؤها مباشرة على سطح معدن الليثيوم. بعد تفاعل مادة الطلاء مع الليثيوم، سيتم تشكيل طبقة واقية مركبة بسمك حوالي 12 ميكرون فقط في الموقع على السطح، والتي تحتوي على مكونات مثل فلوريد الليثيوم والجسيمات النانوية من سبائك الليثيوم إنديوم.

لا يقوم هذا الغشاء الواقي بعزل معدن الليثيوم عن العالم الخارجي فحسب، بل يعمل على تحسين عملية ترسيب أيون الليثيوم داخل البطارية من خلال تضافر مواد مختلفة. يتمتع هيكل البوليمر بدرجة معينة من المرونة ويمكنه التكيف مع الضغط الميكانيكي الناجم عن التمدد والانكماش المتكرر لمعدن الليثيوم أثناء الشحن والتفريغ؛ يمكن لفلوريد الليثيوم أن يمنع الإلكترونات ويمنع نواة ونمو تشعبات الليثيوم. تساعد جزيئات سبائك الليثيوم الإنديوم النانوية في توجيه الترسيب الموحد لأيونات الليثيوم وتجنب التراكم المركز للليثيوم لتشكيل هياكل حادة خطيرة.

تظهر النتائج التجريبية أن كثافة التيار الحرج للقطب الكهربائي المصنوع من معدن الليثيوم المطلي تصل إلى 3.5 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع، وهو أكثر من أربعة أضعاف كثافة القطب غير المعالج، وهو 0.8 مللي أمبير لكل سنتيمتر مربع. تعد كثافة التيار الحرجة مؤشرًا مهمًا لقدرة البطارية على مقاومة ترسب الليثيوم غير المتساوي ونمو التشعبات. تعني الزيادة في القيمة أنه من المتوقع أن تحافظ البطارية على تشغيل مستقر عند كثافات تيار أعلى.

ثم قام الباحثون بتطبيق هذا القطب الوقائي على بطارية كاملة. تستخدم بطارية الاختبار قطبًا إيجابيًا من أكسيد المنغنيز والكوبالت والنيكل وإلكتروليت صلب من الكبريتيد، وتصل السعة الأولية إلى 129.8 مللي أمبير لكل جرام بمعدل 0.5 درجة مئوية. وبعد 300 دورة شحن وتفريغ، ظلت البطارية محتفظة بنسبة 82.3% من سعتها الأولية. في المقابل، عند استخدام أقطاب معدن الليثيوم غير المحمية، يكون معدل الاحتفاظ بالسعة 43.0% فقط، وتكون الفجوة بين الاثنين واضحة جدًا.

وأكد التحليل الطيفي والمراقبة بالمجهر الإلكتروني أيضًا تكوين الطبقة الواقية وبنيتها. ووجد الباحثون أن الطلاء يشكل طبقة كثيفة وموحدة نسبيًا، ولم يتم ملاحظة أي شقوق أو فراغات واضحة، مما قدم أيضًا دليلًا على المستوى الهيكلي على أنه يمكنه حماية الواجهة بين معدن الليثيوم والكهارل الصلب بشكل مستمر.

ثمة ميزة أخرى جديرة بالملاحظة لهذه التكنولوجيا وهي قدرتها على التكيف الصناعي. على عكس بعض تقنيات تعديل سطح القطب الكهربائي التي تتطلب عمليات معالجة فراغية معقدة، يتم تشكيل هذا الغشاء الواقي عن طريق الطلاء المباشر بمادة سائلة والتفاعل على سطح معدن الليثيوم. من الناحية النظرية، هناك فرصة لاستخدام معدات الطلاء الصناعية الموجودة للإنتاج، وبالتالي تقليل تعقيد وتكلفة عملية التصنيع.

يخطط فريق البحث أيضًا لاستكشاف استبدال الإنديوم بالقصدير والزنك وعناصر أخرى لتحسين صيغة المادة بشكل أكبر. الإنديوم معدن نادر ومكلف نسبيًا. وإذا أمكن العثور على مواد بديلة ذات أداء مماثل وتكلفة أقل، فسوف يساعد ذلك في تحسين اقتصاديات التطبيق واسع النطاق لهذه التكنولوجيا في المستقبل.

إلا أن هذا الإنجاز لا يزال في مرحلة الأبحاث المختبرية. إن التحسن في أداء الدورة الذي تم الحصول عليه في التجربة لا يعني أن البطاريات ذات الصلة جاهزة للتسويق. في المستقبل، من الضروري التحقق بشكل أكبر من أدائها في ظل فترات دورة أطول، وقدرات أكبر للبطارية، وبيئات درجات حرارة مختلفة، وظروف الإنتاج الفعلية، مع حل مشكلات مثل تكلفة المواد، واتساق التصنيع، واستقرار الواجهة على المدى الطويل.

يعتقد الباحثون أن هذه الطبقة الواقية المركبة التي تم تشكيلها في الموقع توفر طريقًا تقنيًا بسيطًا نسبيًا لتثبيت أنودات معدن الليثيوم. وإذا تمكنت الأبحاث اللاحقة من إثبات موثوقيتها في البطاريات الفعلية وتحقيق تصنيع منخفض التكلفة على نطاق واسع، فقد تدفع بطاريات الحالة الصلبة عالية الكثافة من الطاقة إلى الاقتراب خطوة أخرى من السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة على نطاق واسع.