ما العقبات أمام تحقيق كثافة طاقة عالية في بطاريات الليثيوم المعدنية؟

تساهم الواجهة بين الأقطاب الكهربائية والعازل إلى حد كبير في الكفاءة التي تحول بها البطاريات الطاقة، وفي السنوات الأخيرة، ركزت العديد من الجهود الرامية إلى تطوير بطاريات ذات أداء أفضل على تصميم واجهة القطب الكهربائي "العازل" لتعزيز كثافة الطاقة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن، وخاصة بطاريات الليثيوم المعدنية (LMBs).

وتُعد بطاريات الليثيوم المعدنية حلولا واعدة للبطاريات تدمج أنودات الليثيوم المعدنية، بدلا من الأنودات القائمة على الغرافيت التي تستخدمها عادة بطاريات الليثيوم أيون (LiBs)، وبالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون، يمكن أن تظهر هذه البطاريات كثافات طاقة أعلى بكثير وسرعات شحن أكبر، بحسب موقع "تيك إكسبلور".

ومع ذلك، فإن العديد من بطاريات الليثيوم المعدنية التي تم تطويرها حتى الآن تعاني من قيود كبيرة، مثل تكاليف التصنيع المرتفعة وكفاءة منخفضة في الشحن والتفريغ، ونمو شجيرات الليثيوم أثناء الشحن، وهي عبارة عن هياكل تشبه الأشجار تعتمد على معدن الليثيوم ويمكن أن تتشكل على سطح الأنودات أثناء شحن البطارية، ما يزيد من خطر ارتفاع درجة الحرارة والحرائق المحتملة، مع تقليل أداء البطارية أيضا.

والحل المحتمل للتغلب على هذا القيد الرئيسي لبطاريات الليثيوم هو تنظيم بنية ذوبان الليثيوم + وتصميم عوازل جديدة لتسهيل تكوين الطور البيني الصلب للعازل (SEI) وتثبيت واجهة القطب "العازل".
 في حين ركزت العديد من الدراسات على هذه الأهداف، إلا أن القليل منها استكشف كيف تساهم البيئة العازلة في البطاريات في تثبيت أو زعزعة استقرار هذه الواجهة.

وأجرى باحثون في جامعة تشجيانغ ومعاهد أخرى في الصين مؤخرا دراسة لاستكشاف هذا السؤال البحثي. وتوضح ورقتهم البحثية، التي نُشرت في مجلة  Nature Energy، بروتوكولا عازلا يمكن أن يساعد في معالجة بعض المشكلات المرتبطة ببطاريات الليثيوم، ما قد يعزز سلامتها وموثوقيتها.

وصرح شيولين فان، المؤلف المشارك في البحث، لـ TechXplore، "مع استمرار نمو أسواق المركبات الكهربائية وتخزين الطاقة، سيستمر الطلب على بطاريات الليثيوم أيون في الازدياد. ومع ذلك، لتحقيق اقتصاد منخفض الكربون أو خالٍ من الكربون، نحتاج إلى بطاريات تعمل بشكل أفضل من بطاريات الليثيوم أيون الحالية. وهذا يتطلب تقنية تخزين الطاقة بكثافة طاقة أعلى من 500 واط/كغم، والتي يمكن أن تعمل على تشغيل الأجهزة الكهربائية لفترة أطول بكثير بشحنة واحدة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون".

وأضاف: "لقد لفتت انتباهنا بطاريات الليثيوم المعدنية ذات الأقطاب الكهربائية المعدنية بدلا من أقطاب الجرافيت، إلا أن هذه البطاريات تواجه مشاكل الموت المبكر سواء في المختبر أو الصناعة. كان هدفنا الرئيسي هو تطوير بطاريات الليثيوم المعدنية طويلة الأمد وعالية الكثافة في الطاقة".

ويأخذ النهج المتبع في تصميم بطاريات الليثيوم المعدنية المقدم في بحث الباحثين في الاعتبار تأثيرات المجال الكهربائي على السطح البيني، والذي يمكن تعديله عبر العوازل الكهربائية للبطارية، على الطور البيني بين القطب الكهربائي والعازل. من خلال تنظيم الوسط العازل المستخدم في البطاريات، يضمن بروتوكولهم سلامة تنسيق الكاتيون والأنيون [الذرات التي تحمل شحنات]، مما يتيح تكوين SEI من تعرض العازل الغني بالأنيون لحقل كهربائي بيني.

وأوضح فان، أنه "يتطلب بروتوكول العازل وضع أزواج الكاتيون والأنيون في سائل غير مذيب بثابت عازل مرتفع، والذي يمكن أن يحمي أزواج الكاتيون والأنيون من التفكك بواسطة المجال الكهربائي. هذا يشكل منطقة غنية بالأنيون بالقرب من واجهة القطب الكهربائي. يمكن لمثل هذا التكوين البيني إعطاء الأولوية لتحلل الأنيون عند الواجهة، وبالتالي إضفاء كيمياء بينية قوية على رواسب الليثيوم في خلايا جيب الليثيوم المعدني".

وكتب تشانغ ولي وزملاؤهما: "عند الواجهات المشحونة، تترتب أزواج الكاتيون والأنيون في توزيع تذبذبي دوري. إن انخفاض سعة التذبذب يؤدي إلى تفاقم تحلل الإلكتروليت وزيادة معاوقة السطح. نقترح بروتوكولا عازلا يحافظ على تنسيق الكاتيون والأنيون بسعة تذبذب عالية عند الواجهات، ومعالجة هذه القضايا".

باستخدام البروتوكول الذي اقترحوه حديثا، توصل الفريق إلى عازل فائق النحافة (1 غم أمبير-ساعة)، والذي اختبروه في خلايا الليثيوم المعدني.

قال فان: "يكشف هذا العمل عن التوزيع المكاني للأنيونات والكاتيونات على واجهة العازل المشحونة. هذا يسمح لنا بتعديل خصائص الواجهة من خلال تصميم تركيبة العازل، ما يمكن أن يحسن أداء البطارية".

يمكن لمجموعات بحثية أخرى قريبا أن تستلهم من نهج فريق البحث هذا الوسيط العازل لإعداد عوازل واعدة أخرى لبطاريات الليثيوم. وبشكل جماعي، يمكن أن تساهم هذه الجهود في تطوير حلول أكثر موثوقية للبطاريات عالية الكثافة.

وأضاف فان: "يمكن أن تؤدي الكثافة العالية للطاقة في بطاريات الليثيوم المعدنية إلى مخاطر أمنية خطيرة مثل الحرائق والانفجارات. يهدف عملنا المستقبلي إلى تعزيز استقرار دورة بطاريات الليثيوم المعدنية في ظل ظروف واقعية لتحقيق تقنية تخزين الطاقة التي تجمع بين كل من الكثافة العالية للطاقة والأمان".