تقدم كبير في فهم التحديات المرتبطة بالمواد الغنية بالنيكل في بطاريات السيارات الكهربائية

حقق العلماء تقدمًا كبيرًا في فهم التحديات المرتبطة بالمواد الغنية بالنيكل المستخدمة في بطاريات السيارات الكهربائية (EV) والتغلب عليها.

ووجد الباحثون، بقيادة جامعة كامبريدج وجامعة برمنجهام، أن تكوين “ثقب الأكسجين” – حيث يفقد أيون الأكسجين إلكترونًا – يلعب دورًادور حاسمفي تحلل مواد البطاريات الغنية بالنيكل، تعمل فتحات الأكسجين هذه على تسريع إطلاق الأكسجين الذي يمكن أن يؤدي إلى زيادة تدهور كاثود البطارية، وهو أحد قطبيها الكهربائيين، تم نشر نتائجهم في مجلة جول.

ستخدم النيكل بالفعل في بطاريات الليثيوم أيون، لكن زيادة نسبة النيكل يمكن أن تحسن بشكل كبير كثافة طاقة البطارية، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص للسيارات الكهربائية والتخزين على نطاق الشبكة، ومع ذلك، فإن التطبيقات العملية لهذه المواد كانت محدودة بسبب عدم الاستقرار الهيكلي والميل إلى فقدان ذرات الأكسجين، مما يتسبب في تدهور البطارية وفشلها.

يتغير الأكسجين أثناء الشحن

وباستخدام مجموعة من التقنيات الحسابية على أجهزة الكمبيوتر العملاقة الإقليمية في المملكة المتحدة، قام الباحثون بفحص سلوك الكاثودات الغنية بالنيكل أثناء شحنها. ووجدوا أن الأكسجين الموجود في المادة يتغير أثناء الشحن بينما تظل شحنة النيكل دون تغيير.

وقال البروفيسور أندرو جيه موريس، من جامعة برمنغهام، الذي شارك في قيادة البحث: “لقد وجدنا أن شحنة أيونات النيكل تبقى عند +2، بغض النظر عما إذا كانت في شكلها المشحون أو المفرغ”. “وفي الوقت نفسه، تتراوح شحنة الأكسجين من -1.5 إلى حوالي -1.

وقال الباحث: “هذا أمر غير معتاد، فالنموذج التقليدي يفترض أن الأكسجين يبقى عند -2 طوال الشحن، لكن هذه التغييرات تظهر أن الأكسجين ليس مستقرا للغاية، وقد وجدنا طريقا له لمغادرة الكاثود الغني بالنيكل”.

 منع التكوينات الضارة

وقارن الباحثون حساباتهم مع البيانات التجريبية، ووجدوا أن نتائجهم تتوافق بشكل جيد مع ما تم ملاحظته، واقترحوا آلية لفقد الأكسجين خلال هذه العملية، تتضمن دمج جذور الأكسجين لتكوين أيون البيروكسيد، والذي يتم تحويله بعد ذلك إلى غاز الأكسجين، مما يترك شواغر في المادة.

تطلق هذه العملية الطاقة وتشكل الأكسجين المفرد، وهو شكل عالي التفاعل من الأكسجين.

وقالت المؤلفة الأولى الدكتورة أنالينا جينريث شريفر من جامعة يوسف حميد: “من المحتمل، من خلال إضافة مركبات تحول التفاعلات الكهروكيميائية من الأكسجين إلى المعادن الانتقالية، خاصة على سطح مواد البطارية، يمكننا منع تكوين الأكسجين المفرد”، “سيؤدي ذلك إلى تعزيز استقرار وطول عمر بطاريات الليثيوم أيون هذه، مما يمهد الطريق لأنظمة تخزين طاقة أكثر كفاءة وموثوقية.”

تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في العديد من التطبيقات بسبب كثافة الطاقة العالية وقابلية إعادة الشحن، ومع ذلك، فإن التحديات المرتبطة باستقرار المواد الكاثودية أعاقت أدائها العام وعمرها الافتراضي.

تابعنا على تطبيق نبض