تكنولوجيا الكاثود الجديدة يمكن أن تحدث ثورة في السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة

وتمثل البطاريات حاليا نحو 50% من التكلفة الإجمالية للسيارات الكهربائية، مما يجعل مركبات الطاقة النظيفة هذه أكثر تكلفة من نظيراتها التي تعمل بالاحتراق الداخلي، والتي تطلق الغازات الدفيئة. اختراع فريق الدكتور تشين يمكن أن يغير هذا الوضع.

صنع بطاريات أفضل

بالمقارنة مع البطاريات القلوية وبطاريات الرصاص الحمضية القديمة، تخزن بطاريات الليثيوم أيون المزيد من الطاقة في حجم أصغر ويمكنها تشغيل الأجهزة لفترة أطول بين الشحنات. ومع ذلك، تحتوي بطاريات الليثيوم على معادن باهظة الثمن، بما في ذلك عناصر معدنية شبه ثمينة مثل الكوبالت والنيكل، كما أن تكاليف تصنيعها مرتفعة.

حتى الآن، تم بنجاح تسويق أربعة أنواع فقط من الكاثودات لبطاريات الليثيوم. ستكون تكنولوجيا الدكتور تشين هي التقنية الخامسة، وهي تمثل خطوة كبيرة إلى الأمام في تكنولوجيا البطاريات: تطوير بطاريات أيونات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل.

تستخدم بطاريات الليثيوم أيون التقليدية إلكتروليتًا سائلًا لنقل أيونات الليثيوم لتخزين الطاقة وإطلاقها. تتمتع بطاريات الليثيوم أيون السائلة بقيود صارمة على كمية الطاقة التي يمكنها تخزينها ويمكن أن تتسرب وتشتعل فيها النيران. لكن بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل تستخدم إلكتروليتات صلبة، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة وموثوقية البطارية، مما يجعلها أكثر أمانًا وقدرة على تخزين المزيد من الطاقة. هذه البطارية لا تزال في مراحل التطوير والاختبار، ولكن سيتم تحسينها بشكل كبير.

وبينما يتدافع الباحثون والمصنعون في جميع أنحاء العالم لجلب تكنولوجيا الحالة الصلبة بالكامل إلى الحياة، طور تشن ومعاونوه حلاً مستدامًا وبأسعار معقولة. مع كاثود كلوريد الحديديك، المنحل بالكهرباء الصلب وأنود معدن الليثيوم، فإن نظام البطاريات بأكمله لا يكلف سوى 30-40٪ من بطاريات الليثيوم الحالية.

وقال تشن: "هذا لن يجعل السيارات الكهربائية أرخص بكثير من مركبات الاحتراق الداخلي فحسب، بل سيوفر أيضًا شكلاً جديدًا وواعدًا لتخزين الطاقة على نطاق واسع يعزز مرونة الشبكة. بالإضافة إلى ذلك، سيعمل الكاثود الخاص بنا على تحسين الاستدامة واستقرار سلسلة التوريد لسوق السيارات الكهربائية بشكل كبير".

نقطة انطلاق قوية للاكتشافات الجديدة

ينبع اهتمام تشين بـ FeCl3 كمادة كاثود من أبحاث مختبره حول المواد الصلبة المنحلة بالكهرباء. بدءًا من عام 2019، حاول مختبره إنشاء بطاريات الحالة الصلبة باستخدام الإلكتروليتات الصلبة القائمة على الكلوريد والكاثودات التجارية التقليدية القائمة على الأكسيد. لم تكن النتائج سلسة، إذ لم تكن مواد الكاثود والإلكتروليت متوافقة.

ويعتقد الباحثون أن الكاثود المعتمد على الكلوريد يمكن أن يقترن بشكل أفضل مع إلكتروليت الكلوريد، مما يوفر أداء أفضل للبطارية. وقال تشين: "لقد وجدنا مادة مرشحة (FeCl3) تستحق التجربة لأن بنيتها البلورية قد تكون مناسبة لتخزين ونقل أيونات الليثيوم، ولحسن الحظ، فإنها تعمل كما توقعنا".

حاليًا، الكاثودات الأكثر استخدامًا في السيارات الكهربائية هي الأكاسيد، والتي تتطلب كميات كبيرة من النيكل والكوبالت باهظ الثمن. هذه العناصر الثقيلة يمكن أن تكون سامة وتشكل تحديات بيئية. في المقابل، كان الكاثود الذي ابتكره فريق الدكتور تشين يحتوي فقط على الحديد (Fe) والكلور (Cl)، وهي عناصر متوفرة بكثرة ورخيصة الثمن وتستخدم على نطاق واسع في الفولاذ وملح الطعام.

في اختباراتهم الأولية، وجدوا أن FeCl3 يؤدي أداءً جيدًا أو أفضل من الكاثودات الأخرى الأكثر تكلفة. على سبيل المثال، تعمل بجهد أعلى من الكاثود الشائع الاستخدام LiFePO4 (فوسفات حديد الليثيوم، أو LFP)، وهي الطاقة التي توفرها البطارية عند توصيلها بجهاز، على غرار ضغط الماء في خرطوم الحديقة.

ومن المرجح أن تكون هذه التكنولوجيا على بعد أقل من خمس سنوات من تسويق السيارات الكهربائية. في الوقت الحالي، سيواصل فريق البحث دراسة كلوريد الحديديك والمواد ذات الصلة. أشرف على هذا العمل تشين وباحث ما بعد الدكتوراه ليو زانتاو، المؤلف الأول للدراسة. يشمل المتعاونون باحثين من كلية وودروف (Ting Zhu) التابعة لجامعة جورجيا للتكنولوجيا، ومدرسة علوم الأرض والغلاف الجوي (Yuanzhi Tang)، بالإضافة إلى باحثين من مختبر أوك ريدج الوطني (Jue Liu) وجامعة هيوستن (Shuo Chen).

وقال تشين: "نريد أن نجعل المادة مثالية قدر الإمكان في المختبر وأن نفهم آليات عملها الأساسية". "لكننا منفتحون على الفرص لتوسيع نطاق التكنولوجيا وتطويرها للتطبيقات التجارية."

تم تجميعها من /ScitechDaily

دوى:10.1038/s41893-024-01431-6