تكنولوجيا

اكتشف العلماء إلكتروليتًا جديدًا واعدًا لبطاريات الليثيوم أيون الصلبة

مفهوم جديد في تكنولوجيا البطاريات

تُظهر مادة البطارية الجديدة وعدًا بتطوير بطاريات صلبة بالكامل.

في البحث عن بطارية مثالية ، يكون للعلماء هدفان رئيسيان: إنشاء جهاز يمكنه تخزين كمية كبيرة من الطاقة والقيام بذلك بأمان. تحتوي العديد من البطاريات على إلكتروليتات سائلة قابلة للاشتعال.

نتيجة لذلك ، أصبحت بطاريات الليثيوم أيون الصلبة ، المصنوعة من مكونات صلبة بالكامل ، جذابة بشكل متزايد للعلماء لأنها توفر مزيجًا جذابًا من السلامة المتزايدة وكثافة الطاقة المتزايدة – أي كمية الطاقة التي يحتاجها العلماء. يمكن تخزين البطارية لحجم معين.

باحثون من جامعة واترلواكتشفت كندا ، وهي أعضاء في المركز المشترك لأبحاث تخزين الطاقة (JCESR) ، ومقره في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، إلكتروليتًا صلبًا جديدًا يقدم العديد من الفوائد المهمة.

هذا المنحل بالكهرباء ، المكون من الليثيوم ، سكانديوم ، إنديوم وكلور ، يوصل أيونات الليثيوم بشكل جيد ولكن الإلكترونات سيئة. يعد هذا المزيج ضروريًا لإنشاء بطارية صلبة بالكامل تعمل دون فقد كبير في السعة لأكثر من مائة دورة بجهد عالٍ (أكبر من 4 فولت) وآلاف الدورات بجهد متوسط. تعد طبيعة الكلوريد للكهارل أمرًا بالغ الأهمية لاستقراره في ظل ظروف التشغيل التي تزيد عن 4 فولت ، مما يعني أنه مناسب لمواد الكاثود النموذجية التي تشكل الدعامة الأساسية لخلايا أيون الليثيوم اليوم.

إلكتروليتات أساسها الكلور

تقدم الإلكتروليتات القائمة على الكلور مثل تلك الموضحة هنا أداءً محسنًا لبطاريات الليثيوم أيون الصلبة. الائتمان: صورة ليندا نزار / جامعة واترلو

“إن النداء الرئيسي للإلكتروليت في الحالة الصلبة هو أنه لا يمكن أن يشتعل ويسمح بوضعه الفعال داخل خلية البطارية ؛ قالت ليندا نزار ، أستاذة أبحاث الكيمياء الفخرية في UWaterloo وعضو JCESR منذ فترة طويلة ، “لقد سعدنا بإثبات التشغيل المستقر عند الجهد العالي”.

تركز التكرارات الحالية لإلكتروليتات الحالة الصلبة بشدة على الكبريتيدات ، التي تتأكسد وتتحلل فوق 2.5 فولت. لذلك ، تتطلب دمج طلاء عازل حول مادة الكاثود التي تعمل فوق 4 فولت ، مما يضعف قدرة الإلكترونات وأيونات الليثيوم على الانتقال من الإلكتروليت إلى الكاثود.

قال نزار: “مع إلكتروليتات الكبريتيد لديك القليل من اللغز – فأنت تريد عزل الإلكتروليت إلكترونيًا عن الكاثود حتى لا يتأكسد ، لكنك لا تزال بحاجة إلى التوصيل الإلكتروني في مادة الكاثود”.

على الرغم من أن مجموعة نزار لم تكن أول من صمم إلكتروليت كلوريد ، إلا أن قرار استبدال نصف الإنديوم بالسكانديوم بناءً على عملهم السابق أثبت أنه الفائز من حيث التوصيل الإلكتروني السفلي والأيوني العلوي. قال نزار: “أصبحت إلكتروليتات الكلوريد جذابة بشكل متزايد لأنها تتأكسد فقط عند الفولتية العالية ، وبعضها متوافق كيميائيًا مع أفضل الكاثودات لدينا”. “تم الإبلاغ عن عدد قليل منها مؤخرًا ، لكننا صممنا واحدة بفوائد مميزة.”

يكمن المفتاح الكيميائي للتوصيل الأيوني في البنية ثلاثية الأبعاد المتقاطعة للمادة المسمى الإسبينيل. كان على الباحثين أن يوازنوا بين رغبتين متنافستين: تحميل الإسبنيل بأكبر عدد ممكن من الأيونات الحاملة للشحنة ، ولكن أيضًا لترك المواقع مفتوحة للأيونات للتحرك. قال نزار: “قد تعتقد أن الأمر أشبه بمحاولة تنظيم رقصة – تريد أن يأتي الناس ، لكنك لا تريد أن تكون مزدحمة للغاية”.

وفقًا لنزار ، فإن الوضع المثالي هو أن نصف مواقع هيكل الإسبنيل يشغلها الليثيوم بينما يظل النصف الآخر مفتوحًا ، لكنها أوضحت أن خلق هذا الوضع يصعب تصوره.

بالإضافة إلى الموصلية الأيونية الجيدة لليثيوم ، كان نزار وزملاؤه بحاجة إلى التأكد من أن الإلكترونات لا يمكن أن تتحرك بسهولة عبر الإلكتروليت لتحفيز انهيار الجهد العالي. “تخيل لعبة الحجلة” ، كما تقول. “حتى لو كنت تحاول فقط القفز من المربع الأول إلى المربع الثاني ، إذا كان بإمكانك إنشاء جدار يجعل من الصعب على الإلكترونات القفز ، في حالتنا ، فهذه ميزة أخرى لهذا الإلكتروليت الصلب.”

قال نزار إنه لم يتضح بعد سبب انخفاض الموصلية الإلكترونية عن العديد من إلكتروليتات الكلوريد التي تم الإبلاغ عنها سابقًا ، ولكنها تساعد في إنشاء واجهة نظيفة بين مادة الكاثود والإلكتروليت الصلب ، وهي حقيقة. وهي حقيقة مسؤولة إلى حد كبير عن الأداء المستقر حتى مع الكميات الكبيرة . من المادة الفعالة في الكاثود.

مقالة تستند إلى البحث ، “السعة المساحية العالية ، دورة الحياة الطويلة لبطاريات Li-ion الصلبة بالكامل 4 فولت الخزفية التي يتم تمكينها بواسطة إلكتروليتات الكلوريد الصلبة” ، ظهرت في الإصدار عبر الإنترنت في 3 يناير من طاقة طبيعية.

المرجع: “4V سعة سطح عالية ودورة طويلة لبطاريات Li-ion الخزفية الصلبة التي يتم تنشيطها بواسطة إلكتروليتات الكلوريد الصلبة” بواسطة Laidong Zhou و Tong-Tong Zuo و Chun Yuen Kwok و Se Young Kim و Abdeljalil Assoud و Qiang Zhang و Jürgen Janek و ليندا نزار ، 3 يناير 2022 ، طاقة طبيعية.
DOI: 10.1038 / s41560-021-00952-0

من بين المؤلفين الآخرين للورقة ، طالب الدراسات العليا في نزار ، لايدونغ زو ، وهو زميل في مركز الدراسات والبحوث الاجتماعية والذي كان مسؤولاً عن غالبية العمل ، وسي يونغ كيم ، وتشون يوين كوك وعبد الجليل أسود ، وجميعهم من UWaterloo. ومن بين المؤلفين الآخرين تونج تونج زو والبروفيسور يورجن جانيك من جامعة جوستوس ليبيج بألمانيا وكيانج زانج من مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة.

تم تمويل البحث من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة ، مكتب علوم الطاقة الأساسية ، بدعم من المجلس الوطني لبحوث العلوم والهندسة في كندا.


Source link

مقالات ذات صلة

أضف تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

Back to top button