العلماء يبتكرون غشاءً جزيئيًا يجعل بطاريات الليثيوم أكثر أمانًا ويضاعف عمرها

طور فريق من العلماء الكوريين تقنية فاصل تقلل بشكل كبير من خطر انفجار بطاريات الليثيوم وتضاعف عمرها.

يشبه هذا الغشاء الجزيئي الرفيع جدًا سترة واقية تحمي القطبين معًا، حيث يثبت كل من الأنود والكاثود في بطاريات الليثيوم-معدن المستقبلية.

قاد البحث المشترك كل من سوجين بارك والدكتور دونج-يوب هان من قسم الكيمياء في جامعة POSTECH، إلى جانب ذ تاي كيونج لي من جامعة Gyeongsang الوطنية والدكتور جيوجين سونج من معهد كوريا لأبحاث الطاقة (KIER).

ونُشرت الدراسة مؤخرًا في مجلة Energy & Environmental Science.

تقترب بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية، المستخدمة حاليًا في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة، من حدودها النظرية للطاقة.

في المقابل، يمكن لبطاريات الليثيوم-معدن تخزين حوالي 1.5 مرة من الطاقة في نفس الحجم، ما قد يزيد مدى القيادة للسيارة الكهربائية من 400 كم إلى حوالي 700 كم لكل شحنة، ومع ذلك، تعوق مشاكل السلامة الكبيرة استخدامها العملي.

أثناء الشحن، يميل الليثيوم إلى الترسب بشكل غير متساوٍ على سطح الأنود، مكونًا هياكل شجرية حادة تُعرف باسم  dendrites،هذه الإبر يمكن أن تخترق الفاصل بين الأقطاب، مسببة دوائر قصيرة داخلية وحرائق وحتى انفجارات.

استقرارًا وتوازنًا في الأداء

للتغلب على ذلك، صمّم الفريق الفاصل على المستوى الجزيئي. قاموا بتثبيت مجموعات فلور (-F) وأكسجين (-O) كيميائيًا على سطح فاصل البولي أوليفين التقليدي.

تنظم هذه المجموعات القطبية التفاعلات بين الأقطاب والإلكتروليت، مما يعزز استقرارًا وتوازنًا في الأداء على كلا الجانبين.

ونتيجة لذلك، يتكوّن طبقة متجانسة من فلوريد الليثيوم (LiF) على الأنود تمنع نمو الـdendrites، بينما يتم منع تكوين حمض الهيدروفلوريك الضار (HF) على جانب الكاثود، محافظًا على سلامته البنيوية.

يعمل هذا الغشاء الوظيفي المفرد كطبقة حماية مزدوجة تثبت كلا القطبين في البطارية.

تحافظ على 80% من سعتها بعد 208 دورات شحن

تحت ظروف تشغيل واقعية، بما في ذلك درجات حرارة مرتفعة (55 °م)، وانخفاض محتوى الإلكتروليت، وأنود رقيق من الليثيوم، حافظت البطاريات المطورة حديثًا على 80% من سعتها الأصلية بعد 208 دورات شحن وتفريغ.

وحققت خلايا من نوع pouch كثافات طاقة مذهلة تصل إلى 385.1 واط-ساعة/كجم و1135.6 واط-ساعة/لتر، أي أعلى بنحو 1.5–1.7 مرة مقارنة بالبطاريات التجارية الحالية.

قال بارك: “تظهر هذه الدراسة نهجًا مبتكرًا لتثبيت كلا قطبي بطاريات الليثيوم-معدن من خلال التصميم الجزيئي، محسنًا العمر والسلامة وكثافة الطاقة مع توافقه مع عمليات تصنيع بطاريات الليثيوم الحالية”.

وأضاف الدكتور لي: “باستخدام نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) والمحاكاة الديناميكية الجزيئية (MD)، حددنا كيف تؤثر المجموعات الوظيفية في الفاصل على البنية الإلكترونية والتفاعلات بين الأقطاب على المستوى الذري”.

وعلق الدكتور سونج: “توفر هذه التقنية متانة وأمانًا عاليين مناسبين لأنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق، وتمثل خطوة مهمة نحو تسويق بطاريات صديقة للبيئة وعالية الطاقة”.