مادة بطارية ليثيوم أيون تكسر حاجز الشحن السريع.. يفتح طريقا تجارياً لتحسين سرعات شحن السيارات الكهربائية

تخزن المزيد من الطاقة

تلعب بطاريات الليثيوم أيون دورًا أساسيًا في محفظة تقنيات الطاقة النظيفة، حيث تستخدم معظم السيارات الكهربائية والكهربائية الهجينة LIBs توفر هذه البطاريات القابلة لإعادة الشحن مزايا من حيث الكفاءة.

لأنها يمكن أن تخزن المزيد من الطاقة وشحنها بشكل أسرع وتستمر لفترة أطول من بطاريات الرصاص الحمضية التقليدية، ومع ذلك، لا تزال التكنولوجيا قيد التطوير.

وهناك حاجة إلى تحقيق تقدم أساسي لتلبية الأولويات لتحسين التكلفة والمدى ووقت الشحن لبطاريات السيارات الكهربائية.

قال زميل شركة ORNL ، والمؤلف المقابل Sheng Dai في مختبر أوك ريدج التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وجامعة تينيسي، سيتطلب التغلب على هذه التحديات تقدمًا في المواد الأكثر كفاءة وطرق التجميع التي يمكن تطويرها في الصناعة”.

تُظهر النتائج المنشورة في Advanced Energy Materials وجود مادة أنود جديدة للبطارية سريعة الشحن تم تحقيقها باستخدام طريقة تركيب قابلة للتطوير.

اكتشف الفريق مركبًا جديدًا من الموليبدينوم – التنجستين – النيوبيت ، أو MWNO ، مع قابلية إعادة الشحن السريعة والكفاءة العالية التي يمكن أن تحل محل الجرافيت في البطاريات التجارية.

لعقود من الزمان، كان الجرافيت أفضل مادة مستخدمة لصنع أنودات LIB في التصميم الأساسي للبطارية، يتم توصيل قطبين صلبين – كاثود موجب وأنود سالب – بواسطة محلول إلكتروليت وفاصل.

في LIBs ، تتحرك أيونات الليثيوم ذهابًا وإيابًا بين الكاثود والأنود لتخزين وإطلاق الطاقة التي تمد الأجهزة بالطاقة.

يتمثل أحد التحديات التي تواجه أنودات الجرافيت في أن الإلكتروليت يتحلل ويشكل تراكمًا على سطح الأنود أثناء عملية الشحن.

يؤدي هذا التراكم إلى إبطاء حركة أيونات الليثيوم ويمكن أن يحد من استقرار البطارية وأدائها.

قال باحث في ORNL والمؤلف الأول Runming Tao: “بسبب حركة الليثيوم أيون البطيئة ، يُنظر إلى أنودات الجرافيت على أنها عائق أمام الشحن السريع للغاية.

نحن نبحث عن مواد جديدة منخفضة التكلفة يمكنها أن تتفوق في الأداء على الجرافيت”.

تم تحديد هدف الشحن السريع للغاية من وزارة الطاقة الأمريكية للسيارات الكهربائية في 15 دقيقة أو أقل للتنافس مع أوقات التزود بالوقود على المركبات التي تعمل بالغاز، وهو معلم لم يتم تحقيقه مع الجرافيت.

قال تاو: “يركز نهجنا على المواد غير الجرافيتية ، ولكن لها أيضًا قيودًا. فبعض المواد الواعدة – الأكاسيد القائمة على النيوبيوم – لها طرق تصنيع معقدة ليست مناسبة تمامًا للصناعة”.

التوليف التقليدي

التوليف التقليدي لأكاسيد النيوبيوم مثل MWNO هو عملية كثيفة الطاقة على اللهب المكشوف الذي يولد أيضًا نفايات سامة.

يمكن أن يدفع البديل العملي مواد MWNO لتصبح مرشحة جادة للبطاريات المتقدمة.

تحول الباحثون إلى عملية سول-جل الراسخة والمعروفة بالسلامة والبساطة.

على عكس التوليف التقليدي ذي درجة الحرارة العالية ، فإن عملية سول-جل هي طريقة كيميائية منخفضة الحرارة لتحويل محلول سائل إلى مادة صلبة أو هلامية وتستخدم بشكل شائع في صناعة الزجاج والسيراميك.

قام الفريق بتحويل مزيج من السائل الأيوني والأملاح المعدنية إلى هلام مسامي تمت معالجته بالحرارة لتعزيز الخواص النهائية للمادة، تتيح استراتيجية الطاقة المنخفضة أيضًا استرداد المذيب السائل الأيوني المستخدم كقالب لـ MWNO وإعادة تدويره.

قال تاو “تعمل هذه المادة بجهد أعلى من الجرافيت وليست عرضة لتشكيل ما يسمى”، طبقة التخميل الصلبة بالكهرباء “التي تبطئ حركة أيونات الليثيوم أثناء الشحن، وقدرتها الاستثنائية ومعدل الشحن السريع، جنبًا إلى جنب مع قابلية التوسع طريقة التوليف ، تجعلها مرشحًا جذابًا لمواد البطاريات المستقبلية “.

بنية نانوية توفر توصيل كهربائي محسّن

مفتاح نجاح هذه المادة هو بنية نانوية المسام التي توفر توصيل كهربائي محسّن.

النتيجة توفر مقاومة أقل لحركة أيونات الليثيوم والإلكترونات، مما يتيح إعادة الشحن السريع.

قال داي: “تحقق الدراسة طريقة تركيب قابلة للتطوير لمادة MWNO تنافسية بالإضافة إلى توفير رؤى أساسية حول التصميم المستقبلي لمواد الأقطاب الكهربائية لمجموعة متنوعة من أجهزة تخزين الطاقة”.

تابعنا على تطبيق نبض