يشعر العديد من مالكي السيارات الكهربائية بالقلق بشأن مدى فعالية بطاريتهم في الطقس شديد البرودة، الآن ربما تكون كيمياء البطارية الجديدة قد حلت هذه المشكلة.
في بطاريات الليثيوم أيون الحالية، تكمن المشكلة الرئيسية في السائل المنحل بالكهرباء، ينقل هذا المكون الرئيسي للبطارية جزيئات تحمل الشحن تسمى أيونات بين قطبي البطارية، مما يتسبب في شحن البطارية وتفريغها.
لكن السائل يبدأ في التجمد عند درجات حرارة دون الصفر، هذا الشرط يحد بشدة من فعالية شحن السيارات الكهربائية في المناطق والمواسم الباردة.
لمعالجة هذه المشكلة، طور فريق من العلماء من مختبرات أرجون التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ولورانس بيركلي الوطنية إلكتروليتًا يحتوي على الفلور ويعمل بشكل جيد حتى في درجات حرارة دون الصفر، يظهر البحث في مواد الطاقة المتقدمة .
قال Zhengcheng “John” Zhang ، وهو كيميائي كبير ومجموعة رائدة في قسم العلوم والهندسة الكيميائية في Argonne.
يُظهر هذا المنحل بالكهرباء منخفض الحرارة وعدًا بالعمل للبطاريات في السيارات الكهربائية، وكذلك في تخزين الطاقة للشبكات الكهربائية والإلكترونيات الاستهلاكية مثل أجهزة الكمبيوتر والهواتف.
في بطاريات الليثيوم أيون الحالية ، يكون المحلول الكهربائي عبارة عن خليط من الملح المتاح على نطاق واسع (سداسي فلورو الفوسفات الليثيوم) ومذيبات الكربونات مثل كربونات الإيثيلين، تذوب المذيبات الملح لتكوين سائل.
طبقة واقية تسمى الطور البيني للصلب
عندما يتم شحن البطارية ، يقوم المحلول الكهربائي السائل بنقل أيونات الليثيوم من الكاثود (أكسيد يحتوي على الليثيوم) إلى القطب الموجب (الجرافيت).
تهاجر هذه الأيونات من الكاثود، ثم تمر عبر المنحل بالكهرباء في طريقها إلى الأنود، أثناء نقلها عبر الإلكتروليت، فإنها تقع في مركز مجموعات من أربعة أو خمسة جزيئات مذيب.
خلال الشحنات الأولية القليلة، تضرب هذه المجموعات سطح الأنود وتشكل طبقة واقية تسمى الطور البيني للصلب المنحل بالكهرباء، بمجرد تشكيل هذه الطبقة، تعمل كمرشح، يسمح فقط لأيونات الليثيوم بالمرور عبر الطبقة بينما تمنع جزيئات المذيب.
بهذه الطريقة، الأنود قادر على تخزين ذرات الليثيوم في هيكل الجرافيت عند الشحن، عند التفريغ، تطلق التفاعلات الكهروكيميائية الإلكترونات من الليثيوم لتوليد الكهرباء التي يمكنها تشغيل المركبات.
طاقة أعلى بكثير
تكمن المشكلة في أنه في درجات الحرارة الباردة، يبدأ الإلكتروليت مع مذيبات الكربونات في التجمد، نتيجة لذلك، يفقد القدرة على نقل أيونات الليثيوم إلى القطب الموجب المشحون، وذلك لأن أيونات الليثيوم مرتبطة بإحكام داخل مجموعات المذيبات.
وبالتالي، تتطلب هذه الأيونات طاقة أعلى بكثير لإخلاء مجموعاتها واختراق طبقة الواجهة مقارنة بدرجة حرارة الغرفة، لهذا السبب ، كان العلماء يبحثون عن مذيب أفضل.
حقق الفريق في العديد من المذيبات المحتوية على الفلور، كانوا قادرين على تحديد التركيب الذي يحتوي على أقل حاجز للطاقة لإطلاق أيونات الليثيوم من المجموعات عند درجة حرارة دون الصفر، لقد حددوا أيضًا على المستوى الذري سبب نجاح هذا التركيب المعين، يعتمد على موضع ذرات الفلور داخل كل جزيء مذيب وعددها.
في الاختبار مع الخلايا المختبرية، احتفظ الإلكتروليت المفلور للفريق بسعة تخزين طاقة ثابتة لـ 400 دورة شحن وتفريغ عند سالب 4 فهرنهايت ، حتى في درجة الحرارة دون الصفر، كانت السعة مكافئة لخلية بها إلكتروليت تقليدي قائم على الكربونات في درجة حرارة الغرفة.
قال تشانج: “أظهر بحثنا بالتالي كيفية تكييف التركيب الذري لمذيبات الإلكتروليت لتصميم إلكتروليتات جديدة لدرجات حرارة دون الصفر”.
يحتوي المنحل بالكهرباء المضاد للتجمد على خاصية إضافية، إنه أكثر أمانًا من الإلكتروليتات القائمة على الكربونات المستخدمة حاليًا، حيث لن تشتعل فيها النيران.
قال تشانج: “نحن نسجل براءة اختراع إلكتروليت منخفض الحرارة وأكثر أمانًا، ونبحث الآن عن شريك صناعي لتكييفه مع أحد تصميماتهم لبطاريات الليثيوم أيون”.
