طريقة جديدة لإنشاء بطاريات ليثيوم أيون سريعة الشحن.. تلبية المتطلبات الملحة لصناعة الإلكترونيات
في السنوات الأخيرة، حاول المهندسون وعلماء المواد إنشاء تقنيات بطاريات متقدمة بشكل متزايد يتم شحنها بشكل أسرع، وتدوم لفترة أطول، ويمكنها تخزين المزيد من الطاقة. وستلعب هذه البطاريات في نهاية المطاف دورًا حاسمًا في تطوير قطاع الإلكترونيات والطاقة، حيث تعمل على تشغيل مجموعة واسعة من الأجهزة المحمولة في السوق، بالإضافة إلى السيارات الكهربائية.
تعد بطاريات الليثيوم أيون (LiBs) حاليًا أكثر البطاريات انتشارًا في جميع أنحاء العالم، حيث تعمل على تشغيل معظم الأجهزة الإلكترونية التي نستخدمها يوميًا، وبالتالي، يعد تحديد الطرق القابلة للتطوير لزيادة سرعة شحن هذه البطاريات أحد الأهداف الأساسية في مجال الطاقة، حيث لن يتطلب الأمر التحول إلى تركيبات بطاريات جديدة تمامًا.
قدم الباحثون في جامعة هواتشونج للتكنولوجيا في الصين مؤخرًا استراتيجية جديدة لتطوير LiBs سريعة الشحن والتي تحتوي على مادة تعتمد على الجرافيت.
تم العثور على تصميم البطارية المقترح، الموضح في ورقة بحثية منشورة في Nature Energy ، لتسريع وقت شحن LiBs بنجاح، مع السماح لها أيضًا بالاحتفاظ بالكثير من سعتها حتى بعد شحنها آلاف المرات.
كتب شويبين تو وباو تشانج وزملاؤهما في ورقتهم البحثية: “تحلل Li + في الإلكتروليتات والانتشار في الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) هما خطوتان محددتان تقيدان الشحن السريع لبطاريات الليثيوم أيون المعتمدة على الجرافيت”.
“لقد أظهرنا أنه يمكن تحفيز بنية المذيبات Li + ذات التنسيق المنخفض للمذيبات بالقرب من مستوى هيلمهولتز الداخلي على الأنواع غير العضوية. على وجه التحديد، يمكن لـ Li 3 P تمكين حاجز Li + منخفض للإذابة وقدرة نشر Li + أسرع من خلال SEI بالمقارنة إلى مكونات SEI العادية”.
الجرافيت
بشكل أساسي، أجرى الباحثون سلسلة من الاختبارات لتقييم مدى تأثير مكونات واجهة الإلكتروليت الصلبة المختلفة (SEI) على ما يسمى ببنية الذوبان Li + ، والتي يمكن أن تقلل بدورها من الوقت اللازم لشحن البطارية، وفي النهاية، حددوا مجموعة من المواد التي يمكنها تحسين كفاءة ما يسمى بعملية Li + desolvation، مما يتيح الانتقال السريع لأيونات Li + عبر SEI.
حدد الفريق بعد ذلك أنودًا واعدًا يعتمد على مادة يطلق عليها اسم الجرافيت PS، والتي تتكون من طبقة رقيقة جدًا من الفوسفور فوق سطح الجرافيت. لقد صنعوا هذه الأنودات ودمجوها في خلايا LiB، ثم قاموا بتقييم أدائها تجريبيًا.
كتب تو وتشانغ وزملاؤهما: “لقد قمنا ببناء طبقة فوسفور رقيقة جدًا على سطح الجرافيت، والتي تتحول في الموقع إلى SEI البلورية المستندة إلى Li 3 P ذات الموصلية الأيونية العالية”، “تُظهر خلايا الحقيبة التي تحتوي على أنود الجرافيت هذا 10 دقائق و6 دقائق (6 درجات مئوية و10 درجات مئوية) للشحن بنسبة 91.2% و80% من السعة، على التوالي، بالإضافة إلى الاحتفاظ بالسعة بنسبة 82.9% لأكثر من 2000 دورة بمعدل شحن 6 درجات مئوية”.
بشكل عام، تسلط الورقة البحثية التي أعدها تو وتشانغ وزملاؤهما الضوء على الدور الرئيسي لمكونات SEI والاعتبارات الهيكلية في التأثير على السرعة التي يتم بها شحن خلايا LiB، في المستقبل، يمكن أن يساهم نهجهم المقترح ونتائجهم التجريبية الواعدة في تطوير LiBs سريع الشحن والمتين، مما قد يساعد في تلبية المتطلبات الملحة لصناعة الإلكترونيات.
“يسلط عملنا الضوء على أهمية الكيمياء البينية لهيكل مذيب Li + وتكوين SEI ويمكن أن يكون بمثابة دليل لتصميم مكونات SEI الفعالة لـ LiBs سريعة الشحن”، كما اختتم الباحثون في ورقتهم البحثية.
