يعد استخدام معدن الليثيوم كأنود للبطاريات أحد الخيارات الأكثر ذكاءً مع كثافة طاقة أفضل من المواد الأخرى، ومع ذلك، فإن الواجهة بين القطب الكهربائي والكهارل بها عدد لا بأس به من المشكلات التي يمكن معالجتها للحصول على نتيجة أكثر أمانًا وأكثر وظيفية في المستقبل.
يحرص الباحثون على استبدال أنود الجرافيت بأنود معدن الليثيوم لبناء نظام بطارية ذي كثافة طاقة أعلى، فإن أنود معدن Li غير مستقر ويتفاعل بسهولة مع المنحل بالكهرباء لتشكيل الطور البيني المنحل بالكهرباء الصلبة (SEI) ، لكنSEI الطبيعي هش وهش، مما يؤدي إلى ضعف العمر والأداء.
درس الباحثون في بديل لـ SEI الطبيعي، والذي يمكن أن يخفف بشكل فعال من التفاعلات الجانبية داخل نظام البطارية، الجواب هو ASEI الطور البيني للكهارل الصلب الاصطناعي.
يقوم ASEI بتصحيح بعض المشكلات التي يعاني منها أنود معدن الليثيوم العاري لتوفير مصدر طاقة أكثر أمانًا وموثوقية وقوة يمكن استخدامه بثقة أكبر في السيارات الكهربائية والتطبيقات المماثلة الأخرى.
نشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في مواد وأجهزة الطاقة، وقال يانيان وانج، المؤلف والباحث في الدراسة: “لقد أحدثت تقنيات البطاريات ثورة في أسلوب حياتنا وترتبط ارتباطًا وثيقًا بحياة الجميع، ولتحقيق اقتصاد خالٍ من الكربون حقًا، هناك حاجة إلى بطاريات ذات أداء أفضل لتحل محل بطاريات ليثيوم أيون الحالية”.
بطاريات الليثيوم المعدنية (LMBs) هي مثل هذا المرشح، ومع ذلك، فإن الأنود، معدن الليثيوم، يتفاعل مع المنحل بالكهرباء وطبقة التخميل، تسمى الطور البيني المنحل بالكهرباء الصلبة، تتشكل على سطح معدن الليثيوم أثناء تشغيل البطارية.
هناك مشكلة أخرى في أنود معدن الليثيوم تسمى “نمو التغصنات”، والتي تظهر أثناء شحن البطارية.
تبدو التشعبات مثل هياكل فرع الشجرة التي تسبب تلفًا داخليًا للبطارية، مما يؤدي إلى قصر الدائرة الكهربائية وضعف الأداء ومخاطر محتملة على السلامة.
نقاط الضعف هذه تقلل بشكل عام من التطبيق العملي لـ LMBs ، وتطرح بعض التحديات التي يجب معالجتها، قدمت المراجعة بعض الاستراتيجيات التي يمكن استخدامها لإنشاء أنود معدن الليثيوم أكثر فعالية وأمانًا.
لتحسين أنود معدن الليثيوم، وجد الباحثون أنه من الضروري تجانس توزيع أيونات الليثيوم، مما يمكن أن يساعد في تقليل الرواسب في المناطق سالبة الشحنة من البطاريات.
وهذا بدوره سوف يقلل من تكوين التشعبات التي يمكن أن تمنع التسوس المبكر وقصر الدائرة الكهربائية.
بالإضافة إلى ذلك، فإن إنشاء طريقة أسهل لانتشار أيونات الليثيوم مع ضمان عزل الطبقات كهربائيًا يمكن أن يساعد في الحفاظ على سلامة الهيكل، فيزيائيًا وكيميائيًا، أثناء دورة البطارية.
والأهم من ذلك، أن تقليل الضغط بين واجهة القطب الكهربائي والكهارل يمكن أن يضمن الاتصال المناسب بين الطبقات، وهو جزء أساسي من وظائف البطارية.
الاستراتيجيات التي يبدو أنها تتمتع بأكبر قدر من الإمكانات هي طبقات ASEI البوليمرية وطبقات ASEI الهجينة غير العضوية.
تتمتع الطبقات البوليمرية بإمكانية تعديل كافية في تصميمها مع إمكانية تعديل القوة والمرونة بسهولة.
تحتوي الطبقات البوليمرية أيضًا على مجموعات وظيفية مماثلة للإلكتروليتات مما يجعلها متوافقة للغاية؛ يعد هذا التوافق أحد المجالات الرئيسية التي تفتقر إليها المكونات الأخرى.
تعد الطبقات الهجينة غير العضوية العضوية هي الأفضل لتقليل سماكة الطبقة وتحسين ملحوظ في توزيع المكونات داخل الطبقات، مما يحسن الأداء العام للبطارية.
إن مستقبل طبقات ASEI مشرق ولكنه يتطلب بعض التحسينات.
يرغب الباحثون بشكل أساسي في رؤية تحسن في التصاق طبقات ASEI على سطح المعدن، مما يحسن بشكل عام وظيفة البطارية وطول عمرها.
المجالات الإضافية التي تتطلب بعض الاهتمام هي الاستقرار في البنية والكيمياء داخل الطبقات، وكذلك تقليل سمك الطبقات لتحسين كثافة الطاقة للأقطاب الكهربائية المعدنية.
بمجرد حل هذه المشكلات، يجب أن يكون الطريق أمام بطارية الليثيوم المعدنية المحسنة ممهدًا جيدًا.
