تحديد العقابات الرئيسية أمام إطالة عمر البطاريات

أكسيد النيكل الليثيوم (LiNiO2 ) كمادة جديدة محتملة لتشغيل بطاريات الليثيوم أيون من الجيل التالي ذات العمر الأطول، ومع ذلك، فقد توقف تسويق هذه المادة لأنها تتحلل بعد الشحن المتكرر.

اكتشف باحثون من جامعة تكساس في دالاس سبب تعطل بطاريات LiNiO 2، وهم يختبرون حلاً قد يزيل عائقًا رئيسيًا أمام الاستخدام الواسع النطاق لهذه المادة.

ونشروا نتائجهم في مجلة Advanced Energy Materials .

ويخطط الفريق أولاً لتصنيع بطاريات LiNiO 2 في المختبر، ثم العمل في نهاية المطاف مع شريك صناعي لتسويق التكنولوجيا.
وقال الدكتور كيونججاي تشو، أستاذ علوم وهندسة المواد في كلية إريك جونسون للهندسة وعلوم الكمبيوتر ومدير برنامج البطاريات والطاقة لتعزيز التسويق والأمن الوطني (BEACONS) ” كان تدهور البطاريات المصنوعة باستخدام LiNiO 2 مشكلة لعقود من الزمن، ولكن السبب لم يكن مفهوماً بشكل جيد”، “الآن بعد أن أصبح لدينا فهم واضح لسبب حدوث ذلك، فإننا نعمل على إيجاد حل يتيح استخدام التكنولوجيا لتوفير عمر بطارية أطول في مجموعة من المنتجات بما في ذلك الهواتف والمركبات الكهربائية.”

إعادة توزيع الإلكترونات

يعد البحث مشروعًا لمبادرة BEACONS التابعة لجامعة تكساس في دالاس، والتي تم إطلاقها في عام 2023.

تتمثل مهمة BEACONS في تطوير وتسويق تكنولوجيا البطاريات الجديدة وعمليات التصنيع؛ وتعزيز توافر المواد الخام الحيوية محليًا؛ وتدريب العمال ذوي الجودة العالية على الوظائف في القوى العاملة المتوسعة لتخزين طاقة البطاريات.

لتحديد سبب تعطل بطاريات LiNiO 2 أثناء المرحلة الأخيرة من الشحن، قام باحثو جامعة تكساس في دالاس بتحليل العملية باستخدام النمذجة الحاسوبية.

وتضمنت الدراسة فهم التفاعلات الكيميائية وإعادة توزيع الإلكترونات عبر المواد على المستوى الذري.

في بطاريات الليثيوم أيون، يتدفق التيار الكهربائي من موصل يسمى الكاثود، وهو قطب موجب، إلى الأنود، وهو قطب سالب، يتكون الأنود عادة من الجرافيت الكربوني، الذي يحمل الليثيوم بجهد أعلى، أثناء التفريغ، تعود أيونات الليثيوم إلى الكاثود عبر الإلكتروليت وترسل الإلكترونات مرة أخرى إلى الكاثود المحتوي على الليثيوم، كتفاعل كهروكيميائي يولد الكهرباء.

تتكون الكاثودات عادة من خليط من المواد بما في ذلك الكوبالت، وهي مادة نادرة يهدف العلماء إلى استبدالها ببدائل، بما في ذلك أكسيد النيكل والليثيوم.

إنشاء “أعمدة” لتقوية الكاثود

اكتشف باحثو جامعة تكساس في دالاس، أن التفاعل الكيميائي الذي يتضمن ذرات الأكسجين في LiNiO 2 يتسبب في عدم استقرار المادة وتشققها.

ولحل هذه المشكلة، طور الباحثون حلاً نظريًا يعزز من قوة المادة عن طريق إضافة أيون مشحون إيجابيًا، أو كاتيون، لتغيير خصائص المادة، مما يؤدي إلى إنشاء “أعمدة” لتقوية الكاثود.

قام ماثيو بيرغشنايدر، طالب الدكتوراه في علوم وهندسة المواد والمؤلف الأول للدراسة، بإنشاء مختبر قائم على الروبوتات لتصنيع نماذج أولية للبطاريات لاستكشاف عمليات التوليف عالية الإنتاجية لكاثودات LiNiO 2 المصممة، ستساعد الميزات الروبوتية في توليف المواد وتقييمها وتوصيفها.

وقال بيرجشنايدر، وهو زميل دراسات عليا في يوجين ماكديرموت: “سنقوم في البداية بتصنيع كمية صغيرة ثم نعمل على تحسين العملية، ثم سنعمل على توسيع نطاق تركيب المواد وتصنيع مئات البطاريات أسبوعياً في منشأة بيكونز، وكل هذه الخطوات تشكل حجر الأساس للتسويق التجاري”.