من الهواتف المحمولة إلى أجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى المركبات الكهربائية، تعمل بطاريات الليثيوم أيون على تشغيل العديد من الأجهزة التي نعتمد عليها.
ونظراً للدور المهم الذي تلعبه هذه التكنولوجيا في العالم الحديث، يحاول العلماء باستمرار تطوير تكنولوجيا بطاريات أكثر أماناً وكفاءة في استخدام الطاقة.
بحثت دراسة حسابية وتجريبية مشتركة في كيفية تحسين تفاعل إضافة بعض المواد المحفزة إلى إلكتروليت صلب مع قطب معدني من الليثيوم.
في ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا، كشف فريق بقيادة باحثين من مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية عن رؤى أساسية حول الإلكتروليتات الصلبة التي يختبرونها لاستخدامها في البطاريات الصلبة بالكامل، وقد تؤدي نتائجهم إلى بطاريات أكثر أمانًا وكفاءة في استخدام الطاقة.
تم نشر البحث في مجلة ACS Materials Letters ، حيث أن الإلكتروليتات تشبه الأغشية التي تسمح بتدفق الشحنة الكهربائية التي تحملها أيونات الليثيوم بين الأقطاب الموجبة والسالبة للبطارية.
تستخدم البطاريات الصلبة الإلكتروليتات الصلبة بدلاً من السائلة، وتظهر كتكنولوجيا بالغة الأهمية للتطوير المستقبلي لبطاريات الليثيوم أيون خفيفة الوزن وكثيفة الطاقة وأطول عمرًا وأكثر أمانًا.
الإلكتروليتات الصلبة ليست متطايرة ولا قابلة للاشتعال، على عكس الإلكتروليتات السائلة المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية .
شحن وتفريغ البطارية
كما أنها أقل تفاعلاً مع معدن الليثيوم، مما يجعل الإلكتروليتات الصلبة أكثر توافقًا مع أقطاب معدن الليثيوم من الإلكتروليتات السائلة.
ولأن جميع الذرات في معدن الليثيوم يمكنها المشاركة في شحن وتفريغ البطارية – مما يمكنها من تخزين المزيد من الطاقة – فإن معدن الليثيوم يتمتع بكثافة طاقة أعلى من الجرافيت، وهي مادة أقطاب كهربائية تقليدية.
تعد الإلكتروليتات الصلبة المصنوعة من الليثيوم اللانثانوم والزركونيوم والجارنيت (LLZO) من المرشحين الرئيسيين لمثل هذه البطاريات. تتميز هذه المادة بقوتها ومتانتها.
كما تتميز بموصليتها، أو السهولة التي تنقل بها أيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية أثناء الشحن والتفريغ.
التنشيط
ولجعل LLZO أفضل، قام الباحثون بتجربة إضافة كميات صغيرة من العناصر مثل الألومنيوم أو الجاليوم لتحسين قدرة LLZO على توصيل أيونات الليثيوم.
تُعرف هذه العملية باسم التنشيط، ويعني التنشيط إضافة كميات صغيرة من عنصر آخر لتغيير وتحسين خصائص المادة. الأمر أشبه بإضافة قليل من التوابل إلى وصفة طعام لتحسين مذاق الطبق.
يساعد التنشيط بالألمنيوم والغاليوم LLZO على الاحتفاظ بهيكله الأكثر تناسقًا ويخلق مساحات فارغة.
تسمح هذه المساحات لأيونات الليثيوم بالهروب بسهولة أكبر من الأقطاب الكهربائية وتحسين التوصيل، ومع ذلك، يمكن للتنشيط أن يجعل LLZO أكثر تفاعلًا مع معدن الليثيوم، مما يؤدي إلى تقصير عمر دورة البطارية.
في الدراسة، فحص الباحثون ما يحدث عندما يتلامس LLZO المحتوي على شوائب من الألومنيوم أو الجاليوم مع الليثيوم المعدني.
تصميم مواد أفضل للبطاريات ذات الحالة الصلبة
باستخدام التقنيات الحسابية والتجريبية، وجد الباحثون أن الجاليوم يميل إلى التحرك بسهولة أكبر خارج الإلكتروليت ولديه ميل أقوى للتفاعل مع الليثيوم لتكوين سبيكة.
هذا يتسبب في انخفاض كمية الجاليوم، يمكن أن يؤدي فقدان الجاليوم إلى تغيير بنية جارنيت الليثيوم وتقليل التوصيل الأيوني، على العكس من ذلك، يظل LLZO المضاف إليه الألومنيوم سليمًا.
أكسيد الليثيوم منخفض الكثافة المضاف إليه الغاليوم جذاب لأنه يتمتع بموصلية أيونية أعلى بكثير من أكسيد الليثيوم منخفض الكثافة المضاف إليه الألومنيوم، ومع ذلك، فإن تفاعلية هذه المواد المضاف إليها الليثيوم عند ملامسته لها هي التي دفعت الباحثين إلى تحديد أنه من أجل استخدام الغاليوم، هناك حاجة إلى طبقة بينية لحماية والحفاظ على موصليته، ولكن منع تفاعليته.
فهم سبب سلوك LLZO بشكل مختلف، اعتمادًا على المادة المضافة، سيساعد العلماء على تصميم مواد أفضل للبطاريات ذات الحالة الصلبة المستقرة والموثوقة.
قال بيتر زابول، فيزيائي من مختبر أرجون وباحث رئيسي في الدراسة: “من المهم أن نعرف كيف يتفاعل المنشط مع الليثيوم، وهذا شرط آخر للحصول على إلكتروليتات جيدة، وليس مجرد موصلية عالية”.
وأوضحت سانيا تيبافسيفيتش، وهي كيميائية في مختبر أرجون وخبيرة تجريبية رائدة في الدراسة، أنه في حالة عدم استقرار المواد المنشطية، فإن تحسين الموصلية لا يكون كافياً.
وقالت “إذا تمكنا من فصل التفاعلية عن التوصيل، أو إذا تمكنا من تطوير مادة واحدة تتمتع بموصلية عالية واستقرار، فهذا هو في الأساس ما نحاول إظهاره من خلال هذا العمل”.
من خلال الجمع بين التقنيات الحسابية والتجريبية، تمكن الباحثون من قياس الخصائص الرئيسية للمواد المخدرة. وفي الوقت نفسه، اكتسبوا رؤى على المستوى الذري حول ما يحدث عند الواجهة بين معدن الليثيوم والإلكتروليت الصلب .
وباستخدام طريقة حاسوبية قوية تُعرف باسم نظرية الكثافة الوظيفية لدراسة كيفية تصرف الذرات والإلكترونات في المواد، تمكن الباحثون من التنبؤ باستقرار المواد المشعة المختلفة وكيفية تفاعلها مع المواد الأخرى.
هناك عدد قليل من التقنيات التجريبية التي تسمح للعلماء بالنظر إلى الواجهة بين الإلكتروليت الصلب والقطب الكهربي، وخاصة أثناء حدوث تفاعل كهروكيميائي أثناء تشغيل البطارية، وذلك لأن هذه الواجهات “مدفونة” وغير مرئية في معظم التقنيات التجريبية، وفقًا لتيبافسيفيتش.
كان أحد الأساليب التي استخدمها الباحثون هو مطيافية الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية لدراسة التغيرات في كيمياء سطح أكسيد الليثيوم منخفض الكثافة.
وكان أحد الأساليب الأخرى هو مطيافية المعاوقة الكهروكيميائية لتحليل حركة أيونات الليثيوم في الإلكتروليتات وعلى واجهة الإلكتروليت-القطب الكهربي.
التعاون بين الولايات المتحدة وألمانيا
تساعد تقنية تجريبية أخرى استخدمها الباحثون، وهي حيود النيوترون ، في تحديد كيفية ترتيب الذرات في المادة.
وفي هذه الحالة، ساعدت الباحثين على تأكيد أن الجاليوم أصبح أقل استقرارًا وأكثر تفاعلية بمجرد تفاعله مع الليثيوم، في حين ظل الألومنيوم مستقرًا.
استفاد هذا البحث من التعاون مع العديد من المؤسسات الأخرى، بما في ذلك جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، التي قدمت LLZO عالية الجودة.
وفي الوقت نفسه، أجريت تجارب حيود النيوترون في مرافق المستخدمين في مركز هاينز ماير-ليبنيتز في ألمانيا ومعهد الفيزياء النووية التابع للأكاديمية التشيكية للعلوم في جمهورية التشيك.
وقال زابول: “كان دور التعاون بين الولايات المتحدة وألمانيا بالغ الأهمية بالنسبة لهذا العمل، وبالنظر إلى المستقبل، فإن هذه النتائج تفتح آفاقًا جديدة في السعي الدولي نحو إنتاج بطاريات الحالة الصلبة الأكثر أمانًا وكفاءة”.