مهندسون يطورون بطارية ليثيوم معدنية آمنة قابلة لإعادة التدوير لفترة طويلة في درجات الحرارة المرتفعة

السنوات الأخيرة، أصبحت البطاريات منتشرة في كل مكان في حياة المستهلكين اليومية، ومع ذلك، فإن تقنيات البطاريات التجارية الحالية، والتي تستخدم الإلكتروليتات السائلة والأنودات الكربونية، تعاني من بعض العيوب مثل المخاوف المتعلقة بالسلامة، وعمر البطارية المحدود، وكثافة الطاقة غير الكافية خاصة في درجات الحرارة المرتفعة.

ومع ذلك، هناك حاجة متزايدة إلى بطاريات يمكنها العمل في ظروف قاسية، مثل درجات الحرارة المرتفعة المطلوبة في مختلف القطاعات الصناعية، بما في ذلك تعقيم الأجهزة الطبية، واستكشاف باطن الأرض، والمفاعلات الحرارية.

وقد دفع هذا الباحثين إلى البحث عن إلكتروليتات صلبة آمنة ومتوافقة مع أنودات الليثيوم المعدنية، المعروفة بقدرتها النظرية العالية على توليد طاقة نوعية.

بطارية ليثيوم معدنية

إلكتروليتات البوليمر الخالية من الشقوق الدقيقة

نجح فريق بحثي بقيادة البروفيسور دونج ميونج شين من قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة هونج كونج في تطوير جيل جديد من بطاريات الليثيوم المعدنية، وهو ما يمثل تقدمًا كبيرًا في هذا المجال.

ويركز ابتكارهم على إلكتروليتات البوليمر الخالية من الشقوق الدقيقة، والتي تعد جزءًا لا يتجزأ من هذه البطاريات، والتي تعد بإطالة عمرها وتعزيز السلامة في درجات الحرارة المرتفعة.

تم نشر النتائج في مجلة Advanced Science تحت عنوان “نقل Li + الانتقائي المتسارع بمساعدة أغشية البوليمر الشبكية الأنيونية الخالية من الشقوق الدقيقة لبطاريات الليثيوم المعدنية القابلة للدوران لفترة طويلة”.

تم تصنيع إلكتروليتات البوليمر الخالية من الشقوق الدقيقة التي طورها فريق البروفيسور شين من خلال تفاعل نقرة بسيط بخطوة واحدة، حيث أظهرت سمات ملحوظة بما في ذلك مقاومة نمو الشجيرات الشجرية وعدم قابلية الاشتعال، مما يدل على نافذة استقرار كهروكيميائي عالية تصل إلى 5 فولت، وموصلية أيونية تبلغ 3.1 × 10 −5 S cm −1 في درجات حرارة عالية.

تُعزى هذه التحسينات إلى أنيونات البورات المربوطة داخل الأغشية الخالية من الشقوق الدقيقة، والتي تسهل النقل الانتقائي المتسارع لأيونات الليثيوم + وتقمع تكوين الشجيرات الشجرية.

في النهاية، تمكن أغشية البوليمر الشبكية الأنيونية بطاريات الليثيوم المعدنية من العمل كأجهزة تخزين طاقة آمنة وطويلة الدورة في درجات حرارة عالية، مع الحفاظ على احتفاظ بالسعة بنسبة 92.7% ومتوسط كفاءة كولومبية 99.867% على مدار 450 دورة عند 100 درجة مئوية.

عادةً، يكون أداء دورة بطاريات الليثيوم المعدنية التقليدية ذات الإلكتروليت السائل أقل من 10 دورات في درجات حرارة عالية.

بطارية ليثيوم معدنية

فتح الأبواب أمام كيمياء بطاريات جديدة

الاختراق الذي حققه فريق البحث يمهد الطريق أمام تطورات مستقبلية في تصميم إلكتروليت البوليمر الأنيوني للجيل القادم من بطاريات الليثيوم.

وقال الدكتور جينجي جاو، المؤلف الأول للدراسة: “نعتقد أن هذا الابتكار يفتح الأبواب أمام كيمياء بطاريات جديدة يمكنها إحداث ثورة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، مع التركيز على السلامة وطول العمر”.

وأضاف البروفيسور شين: “بعيدًا عن التطبيقات في سيناريوهات درجات الحرارة المرتفعة، فإن الأغشية الكهربائية الخالية من الشقوق الدقيقة لديها أيضًا القدرة على تمكين الشحن السريع بسبب الجهد الزائد المنخفض.

يمكن أن تسمح هذه القدرة للسيارات الكهربائية بإعادة الشحن في الوقت الذي يستغرقه شرب كوب من القهوة، مما يمثل تقدمًا كبيرًا نحو مستقبل الطاقة النظيفة”.