ابتكار جديد يطيل عمر البطاريات الصلبة ويحسّن أمانها

أعلن فريق بحثي من جامعة UNIST عن طريقة بسيطة وفعّالة لإطالة عمر البطاريات الصلبة بالكامل، وذلك من خلال شدّ الإلكتروليتات المصنوعة على هيئة أفلام لتحسين الأمان والأداء.

قاد البحث البروفيسور سوك جو كانغ من كلية هندسة الطاقة والعلوم الكيميائية في UNIST، بالتعاون مع البروفيسور سي هون جو من جامعة سوكميونج، حيث طوّر الفريق نوعًا جديدًا من الإلكتروليتات القابلة للتشكيل على هيئة أغشية، والقادرة على دعم بطاريات صلبة تدوم لفترات أطول.

ونُشرت الدراسة في دورية Energy Storage Materials.

آلية عمل الإلكتروليت الجديد

تعمل الإلكتروليتات كوسيط لانتقال أيونات الليثيوم بين القطبين الموجب والسالب داخل البطارية.

وفي حين تعتمد بطاريات المركبات الكهربائية وأنظمة التخزين واسعة النطاق على إلكتروليتات سائلة قابلة للاشتعال، فإن استبدالها بإلكتروليتات صلبة بوليمرية يقلّل مخاطر الحرائق والانفجارات، لكنه كان يرتبط تاريخيًا بانخفاض حركة أيونات الليثيوم وفقدان السعة مع تكرار دورات الشحن.

طوّر الفريق بحثًا يعتمد على إلكتروليت بوليمري فلوريني (PVDF-TrFE-CFE) قادر على تحسين انتقال أيونات الليثيوم بشكل ملحوظ.

وتعتمد الفكرة الأساسية على عملية شدّ أحادي المحور، حيث يُعاد ترتيب سلاسل البوليمر في اتجاه واحد، مما يفكّك بنيتها المتشابكة ويفتح مسارات مستمرة لحركة الأيونات.

كما عززت إضافة مسحوق سيراميكي (LLZTO) داخل مصفوفة البوليمر مرونته الميكانيكية ومقاومته للاشتعال وقدرته على التوصيل الأيوني.

تحسينات الأداء والأمان

أظهرت الاختبارات أن معدل انتشار أيونات الليثيوم في الإلكتروليت المشدود ارتفع بمقدار 4.8 مرات مقارنة بالعينة غير المشدودة، كما ارتفعت الموصلية الأيونية بنسبة 72%.

وعند دمجه داخل بطاريات ليثيوم معدنية مع كاثود فوسفات الحديد الليثيوم (LFP)، ساهم الإلكتروليت الجديد في زيادة عمر البطارية؛ إذ احتفظت البطاريات بحوالي 78% من سعتها الأصلية بعد 200 دورة شحن وتفريغ، مقارنة بـ55% فقط في حالة الإلكتروليت غير المشدود.

وأكدت اختبارات مقاومة اللهب الفوائد الأمنية، حيث انطفأت النيران خلال أربع ثوانٍ فقط.

آفاق التطوير التجاري

قال الباحث جونجيون نا، المؤلف الأول للدراسة: “تُظهر هذه النتائج أن المشكلات الجوهرية في الإلكتروليتات البوليمرية، مثل ضعف انتقال أيونات الليثيوم، يمكن معالجتها بعملية فيزيائية بسيطة مثل الشدّ”.

وأضاف البروفيسور كانغ: “تتميز الإلكتروليتات البوليمرية بالمرونة وسهولة الإنتاج على نطاق واسع مقارنة بالإلكتروليتات الصلبة غير العضوية، ويمكن تطبيق الطريقة المطوّرة في هذه الدراسة على أنواع مختلفة من الإلكتروليتات البوليمرية، مما يسرّع خطوات تطوير بطاريات صلبة أكثر أمانًا وطولًا في العمر”.