نجح باحثون في معهد دايجو جيونجبوك للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية، في تطوير إلكتروليت بوليمري صلب ثلاثي الطبقات يحتوي على بطارية ليثيوم أيون يمكنها إطفاء نفسها إذا اشتعلت فيها النيران ومقاومة للانفجار.
وذكر بيان صحفي، أن البطارية تظهر أيضًا عمرًا أطول من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية.
تُعَد بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) عنصرًا أساسيًا في عملية التحول إلى الطاقة النظيفة التي بدأناها، حيث تحل الطاقة المتجددة والخالية من الكربون محل الوقود الأحفوري.
وتوفر هذه البطاريات المصنوعة من الليثيوم المتوفر بكثرة خيار التخزين الأكثر كثافة في الطاقة المتاح لنا حتى الآن ويمكنها تشغيل كل شيء بدءًا من الهواتف الذكية إلى المركبات الكهربائية وما إلى ذلك.
ومع ذلك، تستخدم بطاريات الليثيوم أيون إلكتروليتات سائلة تحتوي على مواد عضوية معرضة لخطر الاشتعال.
كما أن الفواصل المستخدمة لفصل الأقطاب الكهربائية معرضة للتلف ويمكن أن تؤدي إلى حدوث ماس كهربائي، مما يتسبب في حدوث انفجارات.
وقد أثار هذا مخاوف بشأن استخدام حزم بطاريات الليثيوم أيون في حلول تخزين الطاقة على نطاق واسع، وهنا يمكن لتقنيات البطاريات البديلة أن تساعد.
بطاريات البوليمر الصلبة
ويعمل الباحثون على أنظمة إلكتروليت تعتمد على البوليمر الصلب المقاوم للحريق والانفجار، ولكن تسويق هذه التكنولوجيا أثبت أنه أمر صعب.
أداء البطاريات الصلبة ضعيف نسبيًا مقارنة بنظيراتها من البوليمرات السائلة نظرًا لصعوبة تحقيق اتصال كامل بين الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات. فمع خضوع البطارية للشحن والتفريغ أثناء استخدامها، تتشكل شجيرات معدنية حادة أو هياكل تشبه الأشجار من أيونات الليثيوم.
لا تتسبب هذه الشجيرات الشجرية في فقدان أداء البطارية فحسب، بل إنها تزيد أيضًا من خطر نشوب حريق أو انفجار.
وقد تغلب فريق بحثي بقيادة كيم جاي هيون، الباحث في قسم الطاقة والتكنولوجيا البيئية في DGIST، على هذه العقبة من خلال التحول إلى نظام ثلاثي الطبقات يتكون من إلكتروليت البوليمر الصلب.
إلكتروليت ثلاثي الطبقات
تؤدي كل طبقة من طبقات الإلكتروليت وظيفة محددة. توفر الطبقة الوسطى القوية المصنوعة من الزيوليت القوة للهيكل.
وعلى النقيض من ذلك، توفر الطبقات الخارجية الأكثر ليونة اتصالاً بالأقطاب الكهربائية وتحسن أداء البطارية وكفاءتها.
على أحد الجانبين يوجد الإيثان ثنائي الفينيل العشاري البروم (DBDPE)، الذي يمنع الحرائق ويمكنه أيضًا إخمادها إذا حدثت، في حين يسمح تركيز عالٍ من ملح ثنائي إيميد الليثيوم (ثلاثي فلورو الميثان سلفونيل) (LiTFSI) بحركة أسرع لأيونات الليثيوم. يساعد هذا في تحسين معدلات نقل الطاقة ومنع تكوين الشجيرات الشجرية في الإلكتروليت.
في الاختبارات المعملية، احتفظت البطارية بنسبة 87.9 بالمائة من أدائها حتى بعد 1000 دورة شحن وتفريغ.
لا تستطيع بطارية ليثيوم أيون نموذجية تستخدم إلكتروليت سائل الاحتفاظ بأكثر من 70-80 % من الأداء في هذه المرحلة.
وقال كيم في البيان الصحفي: “من المتوقع أن يساهم هذا البحث بشكل كبير في تسويق بطاريات الليثيوم المعدنية باستخدام إلكتروليتات البوليمر الصلب، مع توفير استقرار وكفاءة محسنة لأجهزة تخزين الطاقة”.
مثل بطارية Li-ion التقليدية، يمكن استخدام بطارية البوليمر الصلبة ثلاثية الطبقات هذه أيضًا في قطاعات متعددة تتراوح من الهواتف الذكية إلى حلول تخزين الطاقة واسعة النطاق.
ونشرت نتائج البحث في مجلة Small .
