استخدامات عملية قد تفاجئك.. مركبات معجون الأسنان وسيلة جديدة لزيادة كفاءة الجيل القادم من البطاريات الكهربائية

أحد المكونات في العديد من معاجين الأسنان، هو فلوريد الصوديوم، وهو مركب من الفلور، يضاف لحماية الأسنان من التسوس.

لكن المركبات التي تحتوي على الفلور لها استخدامات عملية أخرى قد تفاجئك، اكتشف العلماء في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، إلكتروليت يحتوي على الفلورايد يمكن أن يحمي بطارية الجيل القادم من انخفاض الأداء.

قال جو هان تشانج ، قائد المجموعة في قسم العلوم والهندسة الكيميائية في مختبر أرجون، هناك جيل جديد مثير من أنواع البطاريات للسيارات الكهربائية بخلاف أيون الليثيوم يلوح في الأفق”.

تقدم كيمياء البطاريات غير الليثيوم أيون ضعف أو أكثر من الطاقة المخزنة في حجم أو وزن معين مقارنة بأيون الليثيوم، يمكنهم تشغيل السيارات لمسافات أطول بكثير، ويمكنهم حتى تشغيل الشاحنات والطائرات ذات المسافات الطويلة في يوم من الأيام.

من المتوقع أن يساعد استخدام مثل هذه البطاريات على نطاق واسع في معالجة مشكلة تغير المناخ، المشكلة الرئيسية هي أن كثافة طاقتها العالية تنخفض بسرعة مع تكرار الشحن والتفريغ.

يمتلك أحد المنافسين الرئيسيين أنودًا (قطبًا سالبًا) مصنوعًا من معدن الليثيوم بدلاً من الجرافيت المستخدم عادةً في بطاريات الليثيوم أيون، ومن ثم يطلق عليها بطارية “معدن الليثيوم”، الكاثود (القطب الموجب) هو أكسيد معدني يحتوي على النيكل والمنجنيز والكوبالت في حين أنه يمكن أن يوفر أكثر من ضعف كثافة الطاقة الممكنة مع بطارية ليثيوم أيون، فإن هذا الأداء المتميز يتلاشى بسرعة في أقل من مائة دورة تفريغ شحن.

مشكلة دورة الحياة القصيرة

تضمن حل الفريق تغيير المنحل بالكهرباء، وهو سائل تنتقل من خلاله أيونات الليثيوم بين الكاثود والأنود لتنفيذ الشحن والتفريغ، في بطاريات الليثيوم المعدنية، يكون المحلول الكهربائي عبارة عن سائل يتكون من ملح يحتوي على الليثيوم مذاب في مذيب.
مصدر مشكلة دورة الحياة القصيرة، هو أن الإلكتروليت لا يشكل طبقة واقية كافية على سطح الأنود خلال الدورات القليلة الأولى.

تعمل هذه الطبقة، التي تسمى أيضًا الطور البيني للإلكتروليت الصلب، مثل الحارس، مما يسمح لأيونات الليثيوم بالمرور بحرية داخل وخارج الأنود لشحن البطارية وتفريغها، على التوالي.
نُشر بحثهم في مجلة Nature Communications ، حيث اكتشف الفريق مذيب فلوريد جديد يحافظ على طبقة واقية قوية لمئات الدورات، يجمع بين مكون مفلور مشحون إيجابيا (كاتيون) بمكون مفلور مختلف مشحون سالب (أنيون)، هذا المزيج هو ما يسميه العلماء سائل أيوني – سائل يتكون من أيونات موجبة وسالبة.

استبدال الفلورين بذرات الهيدروجين

وقال تشانج “الاختلاف الرئيسي في إلكتروليتنا الجديد هو استبدال الفلورين بذرات الهيدروجين في الهيكل الشبيه بالحلقة للجزء الموجب للسائل الأيوني”، “لقد أحدث هذا فرقًا كبيرًا في الحفاظ على الأداء العالي لمئات الدورات في اختبار خلية معدن الليثيوم.”
كما أوضح تشانج، كشفت عمليات المحاكاة على كمبيوتر ثيتا العملاق التابع لمؤسسة ALCF أن كاتيونات الفلور تلتصق وتتراكم على أسطح القطب الموجب والكاثود قبل أي دورة تفريغ شحن وتفريغ، ثم، خلال المراحل الأولى من ركوب الدراجات، تتشكل طبقة SEI مرنة تتفوق على ما هو ممكن مع الإلكتروليتات السابقة.

منخفضة التكلفة في خطوة واحدة

كان الفريق قادرًا على ضبط نسبة مذيب الفلوريد إلى ملح الليثيوم لإنشاء طبقة ذات خصائص مثالية، بما في ذلك سمك SEI ليس سميكًا أو رفيعًا جدًا، بسبب هذه الطبقة، يمكن أن تتدفق أيونات الليثيوم بكفاءة داخل وخارج الأقطاب الكهربائية أثناء الشحن والتفريغ لمئات من الدورات.

يقدم المنحل بالكهرباء الجديد للفريق العديد من المزايا الأخرى أيضًا، منخفضة التكلفة لأنه يمكن تصنيعها بنقاوة عالية للغاية وعائد في خطوة واحدة بسيطة بدلاً من خطوات متعددة، إنه صديق للبيئة لأنه يستخدم مذيبات أقل بكثير، وهو متقلب ويمكن أن يطلق الملوثات في البيئة، وهو أكثر أمانًا لأنه غير قابل للاشتعال.

قال تشانج: “يمكن لبطاريات الليثيوم المعدنية مع إلكتروليتنا المفلور أن يعزز بشكل كبير صناعة السيارات الكهربائية”، “وتمتد فائدة هذا الإلكتروليت بلا شك إلى أنواع أخرى من أنظمة البطاريات المتقدمة بخلاف أيون الليثيوم .”