تعد بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة لتشغيل السيارات الكهربائية مفتاحًا لاقتصاد الطاقة النظيفة، لكن أقطابها الكهربائية تصنع عادة باستخدام ملاط رطب مع مذيبات سامة ، وهو نهج تصنيع مكلف يشكل مخاطر صحية وبيئية.
كشفت التجارب المبكرة في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة عن فوائد كبيرة لعملية تصنيع البطاريات الجافة.
يؤدي هذا إلى التخلص من المذيب مع إظهار وعد بتقديم بطارية متينة ، وأقل ثقلاً بسبب العناصر غير النشطة وقادرة على الحفاظ على سعة تخزين عالية للطاقة بعد الاستخدام، يمكن لمثل هذه التحسينات أن تعزز اعتماد السيارات الكهربائية على نطاق أوسع ، مما يساعد على تقليل انبعاثات الكربون وتحقيق أهداف المناخ.
تعد المعالجة الجافة بديلاً جديدًا نسبيًا يوفر مساحة أرضية المصنع بالإضافة إلى الوقت والطاقة والتخلص من النفايات ونفقات بدء التشغيل. ومع ذلك ، حتى الآن ، كان لدى الباحثين فهم محدود لكيفية ولماذا يعمل.
نشر البحث في مجلة الهندسة الكيميائية .
قامت ORNL وشريك الصناعة Navitas Systems بالتحقيق في كيفية تأثير العملية الجافة على بنية مواد البطاريات وخصائصها الكهروكيميائية. تولد البطاريات الطاقة عندما تنتقل أيونات الليثيوم بين أقطاب كهربائية تسمى الكاثود والأنود.
ركز الفريق على إستراتيجية المعالجة الجافة للقطب الكهربي، والتي تتضمن خلط المساحيق الجافة مع مادة رابطة، ثم ضغط المادة لتحسين الاتصال بين الجزيئات،يمكن تطبيق هذه الاستراتيجية على كل من الأنود والكاثود من خلال التركيز على مواد معينة أو طرق الخلط.
بعد أن صنع Navitas الأقطاب الكهربائية ، قام باحثو ORNL ، بقيادة Jianlin Li و Runming Tao ، بقياس أدائهم الكهروكيميائي في ظروف مختلفة على أطر زمنية مختلفة، تمكن فريق ORNL من الوصول إلى فهم جديد لكيفية تدهور الأقطاب الكهربائية المعالجة.
أظهرت البطاريات المصنوعة باستخدام العملية الجافة قدرة “رائعة” على الحفاظ على طاقتها بعد الاستخدام المطول ، وفقًا لنتائج الدراسة.
وجد الباحثون أن بطاريات العملية الجافة “مرغوبة كيميائيًا بدرجة كبيرة”، لأن هيكلها يسمح لأيونات الليثيوم باتخاذ مسار مباشر أكثر بين الأنود والكاثود، تكون الأقطاب الكهربائية أكثر سمكًا للسماح بتحميل أعلى للطاقة مع تقليل المكونات غير النشطة التي تزيد الحجم والوزن.
كثافة طاقة عالية وقابلية دوران جيدة
وقال تاو “هناك المزيد من المواد النشطة في القطب”، “وحتى بعد ركوب الدراجات ، سيكون بها القليل من الشقوق”، تعكس هاتان الميزتان كثافة طاقة عالية وقابلية دوران جيدة على المدى الطويل، يمكن أن ينحني القطب الكهربائي وينثني جيدًا ، مما يدل على القوة الميكانيكية الممتازة وقدرة اللف اللازمة للإنتاج الضخم للبطاريات.
يمكن أن تقدم العملية الجافة مجموعة متنوعة من الفوائد للمصنعين وسلسلة التوريد: إنها متوافقة للغاية مع أحدث معدات تصنيع الأقطاب الكهربائية، بينما يقلل تأثيرها البيئي يجعل مصانع البطاريات مناسبة في المزيد من الأماكن.
تقليل بصمتك بنسبة تصل إلى 40 أو 50٪
قال بريان شتاينهوف ، الباحث التقني والباحث الرئيسي في مشروع نافيتاس: “عندما تنظر إلى مصانع جيجاسكال ، فإنك تبحث عن مليارات الدولارات من أجل توسيع نطاق البطاريات”،”يمكن للمعالجة الجافة القضاء على معدات الطلاء والمذيبات اللازمة حاليًا لإنتاج البطاريات على نطاق واسع، إذا كان بإمكانك استخدام عملية جافة بدلاً من ذلك ، فيمكنك تقليل بصمتك بنسبة تصل إلى 40 أو 50٪ ، مما يوفر مئات الملايين من الدولارات والبدء في تمكن من إنشاء بنية تحتية لتحل محل تلك التي تعتمد إلى حد كبير على آسيا في الوقت الحالي “.
تحديد مادة رابطة أفضل للعملية الجافة
تتمثل الخطوة التالية في البحث في تثبيت المادة التي تربط مكونات الأنود بمجمع تيار معدني رفيع.
قال لي: “إن الهدف الرئيسي لهذا المشروع هو تطوير أو تحديد مادة رابطة أفضل للعملية الجافة ، لأن المادة الرابطة الحالية ليست مستقرة للغاية بالنسبة لبيئة الأنود”، يعمل الفريق أيضًا على تقليل كمية أسود الكربون ، وهي مادة تحافظ على موصلية البطارية ولكنها تنتقص من كثافة طاقتها.
يواصل باحثو ORNL و Navitas تحسين العملية لتحسين الأداء الكهروكيميائي، الهدف هو تحقيق التوازن بين مزايا وعيوب القطب الأكثر سمكًا : فهو يتمتع بإمكانية تحميل طاقة أعلى ويسهل لفه ، ولكنه قد يوفر طاقة أقل ، نظرًا لأن الأيونات لديها المزيد من الحركة.
