تقنية جديدة توسع الجيل القادم من بطاريات الليثيوم المعدنية

تقنية جديدة توسع الجيل القادم من بطاريات الليثيوم المعدنية

بطاريات الليثيوم

تحمل المركبات الكهربائية (EVs) وعدًا كبيرًا لمستقبلنا المستدام الموفر للطاقة. ولكن من بين قيودها عدم وجود بطارية طويلة الأمد وذات كثافة طاقة عالية تقلل من الحاجة إلى التزود بالوقود في الرحلات الطويلة. وينطبق الشيء نفسه على المنازل أثناء انقطاع التيار الكهربائي وانقطاع شبكة الكهرباء. فالبطاريات الصغيرة والفعالة القادرة على تشغيل المنزل لأكثر من ليلة بدون كهرباء غير موجودة بعد. يمكن لبطاريات الليثيوم من الجيل التالي التي توفر تخزين طاقة خفيف الوزن وطويل الأمد ومنخفض التكلفة أن تحدث ثورة في الصناعة ولكن كانت هناك مجموعة من التحديات التي حالت دون نجاح التسويق.

تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في أنه بينما تلعب أنودات معدن الليثيوم القابلة لإعادة الشحن دورًا رئيسيًا في مدى جودة عمل هذه الموجة الجديدة من بطاريات الليثيوم. فإنها تكون شديدة التأثر أثناء تشغيل البطارية بنمو التشعبات، والبنى المجهرية التي يمكن أن تؤدي إلى قصر دائرة خطير النار وحتى الانفجار.

الإضافات المعدنية القلوية

أفاد باحثون في شركة Columbia Engineering اليوم أنهم اكتشفوا أن الإضافات المعدنية القلوية. مثل أيونات البوتاسيوم ، يمكن أن تمنع تكاثر بنية الليثيوم المجهرية أثناء استخدام البطارية. استخدموا مزيجًا من الفحص المجهري، والرنين المغناطيسي النووي (على غرار التصوير بالرنين المغناطيسي). والنمذجة الحسابية لاكتشاف أن إضافة كميات صغيرة من ملح البوتاسيوم إلى إلكتروليت بطارية الليثيوم التقليدية ينتج كيمياء فريدة في واجهة الليثيوم / المنحل بالكهرباء. نُشرت الدراسة على الإنترنت اليوم في Cell Reports Physical Science (وفي طبعة 18 نوفمبر).

“على وجه التحديد، وجدنا أن أيونات البوتاسيوم تخفف من تكوين المركبات الكيميائية غير المرغوبة التي تترسب على سطح معدن الليثيوم وتمنع نقل أيون الليثيوم أثناء شحن البطارية وتفريغها. مما يحد في النهاية من نمو البنية المجهرية ،” يقول الباحث الرئيسي في الفريق لورين ماربيلا هندسة كيميائية.

محاكاة الرنين المغناطيسي النووي والكمبيوتر

يختلف اكتشاف فريقها أن المضافات الفلزية القلوية تكبح نمو المركبات غير الموصلة على سطح معدن الليثيوم تختلف عن مناهج التلاعب بالكهرباء التقليدية. والتي ركزت على ترسيب البوليمرات الموصلة على سطح المعدن. يعد هذا العمل من أوائل التوصيفات المتعمقة لكيمياء سطح معدن الليثيوم باستخدام الرنين المغناطيسي النووي. ويوضح قوة هذه التقنية في تصميم إلكتروليتات جديدة لمعدن الليثيوم. تم استكمال نتائج ماربيا بحسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) التي قام بها متعاونون في مجموعة Viswanathan في الهندسة الميكانيكية في جامعة كارنيجي ميلون.

تلاحظ ماربيا أن “الإلكتروليتات التجارية عبارة عن مزيج من الجزيئات المختارة بعناية”. “باستخدام محاكاة الرنين المغناطيسي النووي والكمبيوتر. يمكننا أخيرًا أن نفهم كيف تعمل تركيبات الإلكتروليت الفريدة هذه على تحسين أداء بطارية الليثيوم المعدنية على المستوى الجزيئي. هذه الرؤية في النهاية تمنح الباحثين الأدوات التي يحتاجونها لتحسين تصميم الإلكتروليت وتمكين بطاريات الليثيوم المعدنية الثابتة.”

يقوم الفريق الآن باختبار الإضافات المعدنية القلوية التي توقف تكوين طبقات سطحية ضارة بالاشتراك مع المزيد من الإضافات التقليدية التي تشجع نمو الطبقات الموصلة على معدن الليثيوم. كما أنهم يستخدمون الرنين المغناطيسي النووي بشكل نشط لقياس معدل نقل الليثيوم عبر هذه الطبقة مباشرة.

حملت الدراسة عنوان “الاستفادة من هوية الكاتيون في هندسة الأطوار البينية للكهرباء الصلبة لأنودات الليثيوم المعدنية القابلة لإعادة الشحن”.

يمكن قراءة المزيد من الابتكارات والاختراعات المختلفة من خلال الضغط هنا

للاطلاع على المزيد من المواضيع وأبرز المقالات عبر موقع سجلات الأردن اضغط هنا