رغوة القصدير تدعم ابتكارًا جديدًا لأقطاب البطارية
القدرة على تقديم سعة أعلى والتوسع بشكل كبير في الحجم عند امتصاص الليثيوم
تعد الأقطاب الكهربائية المعدنية في بطاريات الليثيوم أيون بقدرات أعلى بكثير من أقطاب الجرافيت التقليدية.
لسوء الحظ، تتدهور هذه الأقطاب بسبب الإجهاد الميكانيكي أثناء دورات الشحن والتفريغ.
وقد أظهر فريق في HZB، أن رغوة القصدير عالية المسامية أفضل بكثير في امتصاص الإجهاد الميكانيكي أثناء دورات الشحن، وهذا يجعل رغوة القصدير مادة مثيرة للاهتمام لبطاريات الليثيوم.
تعتمد بطاريات الليثيوم أيون الحديثة عادةً على قطب جرافيت متعدد الطبقات، وغالبًا ما يكون القطب المضاد مصنوعًا من أكسيد الكوبالت.
أثناء الشحن والتفريغ، تنتقل أيونات الليثيوم إلى الجرافيت دون التسبب في تغييرات كبيرة في حجم المادة، ومع ذلك، فإن سعة الجرافيت محدودة، مما يجعل البحث عن مواد بديلة مجالًا مثيرًا للبحث.
تتمتع الأقطاب الكهربائية القائمة على المعادن، مثل الألومنيوم أو القصدير، بالقدرة على تقديم سعة أعلى، ومع ذلك، فإنها تميل إلى التوسع بشكل كبير في الحجم عند امتصاص الليثيوم، وهو ما يرتبط بالتغيرات البنيوية وإجهاد المواد.
القصدير جذاب بشكل خاص لأن سعته لكل كيلوغرام أعلى بثلاث مرات تقريبًا من الجرافيت، وهو ليس مادة خام نادرة ولكنه متوفر بكثرة.
أحد الخيارات لتحقيق أقطاب معدنية “تتعب” بسرعة أقل يتضمن تشكيل رقائق معدنية رقيقة على شكل نانو، خيار آخر هو استخدام رغاوي معدنية مسامية.
تتبع التغيرات في الأقطاب الكهربائية
قام فريق من مركز هلمهولتز في برلين (HZB) بدراسة أنواع مختلفة من أقطاب القصدير أثناء عملية التفريغ والشحن باستخدام التصوير بالأشعة السينية، وطوروا نهجًا مبتكرًا لمعالجة هذه المشكلة.
تم إجراء جزء من التجارب في BAMline في BESSY II ، تم التقاط صور الأشعة السينية عالية الدقة بالتعاون مع خبراء التصوير الدكتور نيكولاي كاردجيلوف والدكتور أندريه هيلجر في HZB.
تقول الدكتورة بشرى بو عبادي، المؤلفة الأولى للدراسة المنشورة في مجلة Advanced Science “سمح لنا هذا بتتبع التغيرات البنيوية في الأقطاب الكهربائية القائمة على معدن القصدير التي تمت دراستها أثناء عمليات الشحن/التفريغ”،
بالتعاون مع خبير البطاريات الدكتور سيباستيان ريس، استكشفت كيف يتغير شكل أقطاب القصدير أثناء التشغيل بسبب الامتصاص غير المتجانس لأيونات الليثيوم”.
لقد نجح الدكتور فرانسيسكو جارسيا مورينو في إنتاج أفضل نسخة من القطب الكهربائي المصنوع من القصدير: رغوة من القصدير تحتوي على عدد لا يحصى من المسام التي يبلغ حجمها ميكرومترًا واحدًا.
يقول الدكتور ريس: “لقد تمكنا من إثبات أن الإجهاد الميكانيكي في مثل هذه الرغوة المصنوعة من القصدير أثناء التمدد الحجمي ينخفض بشكل كبير”، وهذا يجعل رغوة القصدير مادة مثيرة للاهتمام لبطاريات الليثيوم.
وقد قام جارسيا مورينو بالفعل بدراسة العديد من الرغوات المعدنية، بما في ذلك تلك المستخدمة في مكونات صناعة السيارات ورغوات الألومنيوم المستخدمة في أقطاب البطاريات.
ويقول: “إن الرغوات المصنوعة من القصدير التي طورناها في جامعة برلين التقنية تتمتع بمسامية عالية وتشكل بديلاً واعدًا لمواد الأقطاب الكهربائية التقليدية”.
هيكلة الرغوة القصديرية أمر بالغ الأهمية لتقليل الإجهاد الميكانيكي قدر الإمكان، كما يمكن أن تكون تقنية الرغوة القصديرية جذابة من الناحية الاقتصادية: “على الرغم من أن الرغوة القصديرية أكثر تكلفة من رقائق القصدير التقليدية، إلا أنها تقدم بديلاً أرخص للبنية النانوية المكلفة، في حين أنها قادرة على تخزين المزيد من أيونات الليثيوم، وبالتالي تمكين زيادة السعة”.
