بطاريات ليثيوم عمرها التشغيلي أطول 750 بالمئة
تفتح بطاريات ليثيوم جديدة يزيد عمرها التشغيلي بنسبة 750% على نظيراتها التقليدية المستعملة حالياً الباب أمام استعمال تلك التقنية على نطاق واسع وصديق للبيئة.
بطاريات ليثيوم بتقنية جديدة
واعتمد الباحثون في تعزيز العمر التشغيلي لبطاريات الليثيوم المعدنية من الجيل التالي على استعمال ألياف نانوية مجوّفة صديقة للبيئة بوصفها طبقات واقية تتحكم في نمو أيونات الليثيوم من خلال وسائل فيزيائية وكيميائية.
وتم صنع الطبقة الواقية المذكورة من خلال عملية العزل الكهربائي الصديقة للبيئة عبر استعمال مادة “صمغ الغوار” المستخرجة من النباتات واستعمال الماء بوصفه مذيباً وحيداً.
والعزل الكهربائي (Electrospinning) هو تقنية جديدة تستعمل القوة الكهروستاتيكية لإنتاج ألياف نانوية ويمكن استعمالها لقطر الألياف من 10 ميكرومترات إلى 10 نانومترات.
تقنية مائية
ونجح باحثون من كوريا الجنوبية في تمديد العمر التشغيلي لبطاريات الليثيوم بواقع 750% باستعمال المياه ما يمثّل طفرة في تقنيات البطاريات وفق ما أورده موقع إنترستينغ إنجنيرينغ (Interesting Engineering).
وتستهدف مواد الأنود من الجيل التالي التي طوّرها الباحثون في المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا التغلب على قيود الأداء في البطاريات التجارية.
وصنع الباحثون غشاءً مبتكراً بقنوات مجوفة تعمل على توجيه تدفق الأيونات لضمان طلاء الليثيوم بشكل متناسق علماً بأن طلاء الليثيوم يقلل عادةً من عمر البطارية بصفة كبيرة ويحد من قدرة الشحن السريع.
ويستعمل هذا التصميم صديق البيئة لبطاريات الليثيوم طبقات مصنوعة من ألياف النانو بهدف تعزيز استقرار أيونات الليثيوم وتمديد العمر التشغيلي لتلك البطاريات من الجيل التالي.
وقال البروفيسور من قسم علوم وهندسة المواد في المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا إيل دو كيم: “عبر الاستفادة من كلتا الوظيفتين الكيميائية والفيزيائية فإننا نستطيع توجيه التفاعلات العكسية بين معدن الليثيوم والإلكتروليت بشكل أكثر فاعلية ومنع نمو الشجيرات الشجرية”.
وأضاف دو كيم: “تنتج عن هذا أنودات معدنية من الليثيوم بخصائص غير مسبوقة تعزّز العمر التشغيلي للبطاريات” في بيان حصلت منصة الطاقة المتخصصة على نسخة منه.
وتتكون الشجيرات الشجرية في البطاريات نتيجة اضطراب ظروف الشحن والتفريغ وهي هياكل بللورية مجهرية يمكن أن تؤدي إلى ماس كهربائي في البطاريات.
بطاريات ليثيوم صديقة للبيئة
وتشهد البطاريات القابلة لإعادة الشحن مثل بطاريات الليثيوم تطوراً بوتيرة سريعة غير أن سعة تخزين الطاقة بها ما تزال من التحديات التي تعرقل ازدهار تلك الصناعة.
وتتيح أنودات الليثيوم المعدنية سعة مرتفعة محددة تصل إلى 3 آلاف و860 مللي أمبير/ساعة/غرام لبطاريات الليثيوم المعدنية و1670 مللي أمبير/ساعة/غرام بالنسبة إلى بطاريات الليثيوم والكبريت.
ومع ذلك تواجه أنودات الليثيوم تحديات مثل نمو الشجيرات الشجرية وتكوين الليثيوم الميت ما ينتج عنه تدني الكفاءة وتغييرات في الحجم ومخاطر تتعلق بالسلامة.
وتنشأ كل تلك المشكلات من التفاعلات الحاصلة بين الليثيوم والإلكتروليتات العضوية ما يؤدي إلى تكوين طبقات غير مستقرة من الطور البيني للصلب والإلكتروليتات سي إي آي (SEI).
وطبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلبة هي طبقة عازلة كهربائياً وموصلة للأيونات تتشكل على سطح القطب من خلال تحلل الإلكتروليت.
ويرى الباحثون أن تلك الطبقة يجب أن تمنع فشل بطاريات الليثيوم عبر استقرار التفاعلات الكيميائية وتحمل الضغوط الميكانيكية في أثناء الدورة..
وتقدم طبقات الطور البيني للصلب والإلكتروليتات الاصطناعية التي تستعمل مواد مثل الأطر المعدنية العضوية وشرائط البوليمر حلولاً ولكنها تنطوي على تكاليف عالية وعمليات معقدة ووظائف محدودة.
وبناءً عليه طوّر الباحثون في الدراسة الجديدة غشاءً اصطناعياً ثنائي الوظيفة لحماية طبقة الطور البيني للصلب والإلكتروليتات باستعمال عملية العزل الكهربائي المستدامة.
زيادة العمر التشغيلي
ويتميّز الغشاء الاصطناعي الذي طوره الباحثون بألياف نانوية مجوفة فريدة من نوعها تعمل على تعزيز نقل أيونات الليثيوم.. وفي هذا الصدد قال الباحثون:
“تتحكم طبقة الحماية النانوية بصورة فعّالة في التفاعلات الكيميائية العكسية بين الإلكتروليت وأيونات الليثيوم.. كما تعمل الفراغات المجوفة داخل الألياف على منع التراكم العشوائي لأيونات الليثيوم على سطح المعدن ما ينتج عنه استقرار الواجهة بين سطح معدن الليثيوم والإلكتروليت”.
وقد أظهرت أنودات الليثيوم المعدنية المزودة بهذه الطبقة الواقية تحسنًا في العمر التشغيلي لبطاريات الليثيوم بنسبة 750 بالمئة قياساً بالأنودات التقليدية.
وحافظت البطارية كذلك على سعتها بنسبة 93.3 بالمئة بعد 300 دورة ما يعكس أداءً استثنائياً.
إلى جانب ذلك تتحلل الطبقة الواقية الطبيعية بالكامل في التربة خلال شهر واحد ما يؤكّد تصميمها الصديق للبيئة بدءاً من الإنتاج وحتى التخلص منها.