إطالة عمر بطاريات معدن الليثيوم باستخدام مادة مخففة من الأثير المفلور

إن تصميم تقنيات البطاريات ذات العمر الأطول بشكل متزايد يمكن أن يساعد في تلبية الاحتياجات المتزايدة لصناعة الإلكترونيات والسيارات.

بطاريات الليثيوم (Li) هي البطاريات القابلة لإعادة الشحن الأكثر استخدامًا في جميع أنحاء العالم. وبالتالي، فإن ابتكار استراتيجيات يمكنها زيادة طول عمرها قد يكون أسهل بكثير من تصميم بطاريات جديدة تمامًا.

تعد بطاريات الليثيوم المعدنية، وهي البطاريات ذات الأنود المعدني الليثيوم، من بين تصميمات بطاريات الجيل التالي الواعدة، ومع ذلك، فإن تفاعل معدن Li قد أدى حتى الآن إلى الحد بشكل كبير من استقرار دورة التدوير، من خلال إضعاف تكوين أطوار بينية ثابتة للكهارل الصلبة (SEIs)، مما أدى في النهاية إلى عمر افتراضي أقصر للبطارية.

قدم الباحثون في جامعة ولاية بنسلفانيا وجامعة إلينوي شيكاغو ومختبر أرجون الوطني مؤخرًا طريقة جديدة لإطالة عمر بطاريات الليثيوم المعدنية. تعتمد هذه الطريقة، التي تم تقديمها في بحث منشور في مجلة Nature Energy ، على استخدام الأثير الحلقي عالي الفلور (3,3,4,4,5,5-hexafluorotetrahydropyran, HFTHP)، والذي يُظهر تفاعلًا محدودًا مع أيونات معدن الليثيوم و وبالتالي يمكن تحسين استقرار SEIs المشكلة.

كتب Guo-Xing Li وVolodymyr Koverga وزملاؤهم في ورقتهم البحثية، “إن إطالة عمر بطاريات الليثيوم (Li) ينطوي على إدارة التفاعلات في أنود Li وتثبيت الطور البيني الصلب والكهارل (SEI) من خلال التنظيم الاستراتيجي لتكوين المنحل بالكهرباء”،  “لقد قمنا بتخليق الأثير الحلقي المفلور مع تقليل القدرة على تنسيق أيون الليثيوم وتعزيز الاستقرار الكهروكيميائي. لقد أظهرنا دوره الحاسم في معالجة عملية تكوين SEI من خلال التمييز بين مساهمة الأنيونات المزدوجة في طبقة SEI.”

فرق حاسم 

هناك فرق حاسم بين الأثير الذي تم تصنيعه والإيثرات المفلورة الخطية المقترحة مسبقًا، مثل BTFE وTTE، وهو أنه يُظهر تنسيقًا مصغرًا لأيونات الليثيوم. وهذا يسهل تكوين طبقة ثنائية غير عضوية مهيمنة SEI في بطاريات الأيونات المعدنية، مكونة من طبقة داخلية غنية بـ Li 2 O وطبقة خارجية غنية بـ LiF.

تم العثور على أن SEI يعزز بشكل كبير استقرار وقابلية عكس أنودات الليثيوم المعدنية. تتمتع خلايا بطارية الليثيوم المعدنية الناتجة بعمر دورة طويل بشكل ملحوظ، وقدرات محسنة للتفريغ الذاتي وأداء في درجات الحرارة العالية.

استخدم لي وكوفرجا وزملاؤهما الأثير لتصميم إلكتروليت سائل لبطاريات الليثيوم المعدنية المكونة من 1 مولار LiDFOB و0.4 مولار LiBF 4 في ثنائي ميثوكسي إيثان (DME)/HFTHP.

ووجدوا أن تصميمهم حقق نتائج استثنائية، بمتوسط ​​CE يبلغ 99.5% لخلايا Cu||LiNi 0.8 Mn 0.1 Co 0.1 O 2 (NMC811) الخالية من الأنود وعمر افتراضي ممتد.

كتب الباحثون “يُظهر الإلكتروليت المطور تحسنًا ملحوظًا في عمر التقويم واستقرار التدوير لخلايا Li (50 ميكرومتر)||NMC811 (4 مللي أمبير سم -2 )، مع الحفاظ على سعة 80% بعد 568 و218 دورة في درجة حرارة الغرفة و60 درجة مئوية، على التوالي. “”علاوة على ذلك، تُظهر خلايا الحقيبة النموذجية التي تبلغ طاقتها 410 وات/كجم −1 احتفاظًا بقدرة 80% لمدة 470 دورة.”

يمكن للاستراتيجية الجديدة التي قدمها فريق البحث هذا أن تفيد دراسات إضافية قريبًا، مما يسهل في النهاية تطوير إلكتروليتات سائلة جديدة فائقة الجودة لبطاريات الليثيوم المعدنية عالية الكثافة، علاوة على ذلك، يساهم عملهم في فهم مخففات الأثير المفلور، مما يسلط الضوء على إمكاناتها لتطوير حلول بطاريات الجيل التالي.