اكتشف العلماء موصل أيون الليثيوم المستقر وعالي التوصيل لاستخدامه كإلكتروليتات صلبة في بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة.
جميع بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة (Li-ion) ذات الإلكتروليتات الصلبة غير قابلة للاشتعال ولها كثافة طاقة وأرقام نقل أعلى من تلك التي تحتوي على إلكتروليتات سائلة.
ومن المتوقع أن تحصل هذه الشركات على حصة من سوق بطاريات الليثيوم أيون السائلة التقليدية، مثل السيارات الكهربائية.
ومع ذلك، على الرغم من هذه المزايا، فإن الشوارد الصلبة لديها موصلية أقل لـ Li-ion وتطرح تحديات في تحقيق اتصال مناسب بين الإلكترودات الصلبة.
في حين أن الشوارد الصلبة القائمة على الكبريتيد موصلة، فإنها تتفاعل مع الرطوبة لتكوين ثاني كبريتيد الهيدروجين السام، لذلك، هناك حاجة إلى إلكتروليتات صلبة غير كبريتيدية تكون موصلة ومستقرة في الهواء لصنع بطاريات Li-ion ذات الحالة الصلبة آمنة وعالية الأداء وسريعة الشحن.
في دراسة حديثة نشرت في مجلة كيمياء المواد، اكتشف فريق بحث بقيادة البروفيسور كينجيرو فوجيموتو، والبروفيسور أكيهيسا إيمي من جامعة طوكيو للعلوم، والدكتور شوهي يوشيدا من شركة دينسو، أيون ليثيوم مستقر وعالي التوصيل، موصل على شكل أوكسي فلوريد من نوع البيروكلور.
وفقًا للبروفيسور فوجيموتو، “إن صنع بطاريات ليثيوم أيون ثانوية ذات الحالة الصلبة بالكامل كان حلمًا طال انتظاره للعديد من الباحثين في مجال البطاريات، لقد اكتشفنا أكسيد الإلكتروليت الصلب الذي يعد مكونًا رئيسيًا في بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل”، “البطاريات الأيونية، التي تتمتع بكثافة طاقة عالية وآمنة، بالإضافة إلى كونها مستقرة في الهواء، تظهر المادة موصلية أيونية أعلى من إلكتروليتات الأكسيد الصلبة التي تم الإبلاغ عنها سابقًا.”
يمكن الإشارة إلى أوكسي فلوريد البيروكلور الذي تمت دراسته في هذا العمل، خضع للتحليل الهيكلي والتركيبي باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك حيود الأشعة السينية، وتحليل ريتفيلد، ومطياف الانبعاث البصري للبلازما المقترنة حثيًا، وحيود الإلكترون في منطقة مختارة.
على وجه التحديد، تم تطوير Li 1.25 La 0.58 Nb 2 O 6 F، مما يدل على موصلية أيونية ضخمة تبلغ 7.0 ملي سيميز سم⁻¹ وموصلية أيونية إجمالية تبلغ 3.9 ملي سيميز سم⁻¹ في درجة حرارة الغرفة.
وقد وجد أنه أعلى من موصلية أيون الليثيوم لأكسيد الإلكتروليتات الصلبة المعروفة.
طاقة التنشيط للتوصيل الأيوني لهذه المادة منخفضة للغاية، وتعد الموصلية الأيونية لهذه المادة عند درجة حرارة منخفضة واحدة من أعلى المعدلات بين الشوارد الصلبة المعروفة، بما في ذلك المواد القائمة على الكبريتيد.
وحتى عند -10 درجة مئوية، تتمتع المادة الجديدة بنفس الموصلية مثل الشوارد الصلبة التقليدية القائمة على الأكسيد في درجة حرارة الغرفة .
علاوة على ذلك، نظرًا لأنه تم أيضًا التحقق من الموصلية فوق 100 درجة مئوية، فإن نطاق تشغيل هذا المنحل بالكهرباء الصلب هو -10 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية.
لا يمكن استخدام بطاريات الليثيوم أيون التقليدية في درجات حرارة أقل من درجة التجمد. ولذلك، فإن ظروف تشغيل بطاريات الليثيوم أيون للهواتف المحمولة شائعة الاستخدام تتراوح بين 0 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية.
تم فحص آلية توصيل Li-ion في هذه المادة. يغطي مسار التوصيل للبنية من نوع البيروكلور أيونات F الموجودة في الأنفاق التي أنشأها MO 6 octahedra آلية التوصيل هي الحركة المتسلسلة لأيونات الليثيوم أثناء تغيير الروابط مع أيونات F. تنتقل أيونات Li إلى أقرب موضع Li وتمر دائمًا عبر مواقع شبه مستقرة.
يمنع Immobile La 3+ المرتبط بـ F ion توصيل Li-ion عن طريق منع مسار التوصيل وإخفاء المواضع شبه المستقرة المحيطة.
على عكس بطاريات الليثيوم أيون الثانوية الموجودة، فإن جميع بطاريات الحالة الصلبة القائمة على الأكسيد ليس لديها خطر تسرب الإلكتروليت بسبب التلف ولا يوجد خطر توليد غازات سامة كما هو الحال مع البطاريات القائمة على الكبريتيد.
ولذلك، من المتوقع أن يؤدي هذا الابتكار الجديد إلى دفع الأبحاث المستقبلية.
يقول البروفيسور فوجيموتو”إن المادة المكتشفة حديثًا آمنة وتظهر موصلية أيونية أعلى من الشوارد الصلبة القائمة على الأكسيد التي تم الإبلاغ عنها سابقًا، ويعد تطبيق هذه المادة واعدًا لتطوير البطاريات الثورية التي يمكن أن تعمل في نطاق واسع من درجات الحرارة، من المنخفضة إلى العالية”،”نحن نعتقد أن الأداء المطلوب لتطبيق الإلكتروليتات الصلبة للسيارات الكهربائية قد تم استيفاءه.”
والجدير بالذكر أن المادة الجديدة مستقرة للغاية ولن تشتعل في حالة تلفها. إنها مناسبة للطائرات والأماكن الأخرى التي تكون فيها السلامة أمرًا بالغ الأهمية.
كما أنه مناسب للتطبيقات ذات السعة العالية، مثل السيارات الكهربائية، لأنه يمكن استخدامه تحت درجات حرارة عالية ويدعم إعادة الشحن السريع.
علاوة على ذلك، فهي أيضًا مادة واعدة لتصغير البطاريات والأجهزة المنزلية والأجهزة الطبية.
باختصار، لم يكتشف الباحثون موصل ليثيوم أيون ذو موصلية عالية واستقرار للهواء فحسب، بل قدموا أيضًا نوعًا جديدًا من الموصلات فائقة التأين مع أوكسي فلوريد من نوع البيروكلور.
يعد استكشاف البنية المحلية حول الليثيوم، وتغيراتها الديناميكية أثناء التوصيل، وإمكاناتها كإلكتروليتات صلبة لجميع بطاريات الحالة الصلبة، مجالات مهمة للبحث المستقبلي.
