فريق من جامعة صينية يتجاوز حدود بطاريات الليثيوم أيون.

هانغتشو، 19 مارس (وكالة أنباء الصين) - وفقًا لتقرير صادر عن جامعة ويستليك في التاسع عشر من الشهر الجاري، قام فريق بحثي في ​​الجامعة بتطوير "إلكتروليت مقترن بالمكوك" بشكل مبتكر، متغلبًا بنجاح على العقبة الرئيسية المتمثلة في قصر عمر دورة بطاريات الليثيوم المعدنية الخالية من الأقطاب السالبة، ومتخذًا خطوة قوية نحو الإنتاج الضخم واسع النطاق للبطاريات عالية الكثافة الطاقية.

نشر فريق بقيادة وانغ جيان هوي من كلية الهندسة بجامعة ويستليك ورقة بحثية بعنوان "ترسيب الليثيوم المستوي والذوبان يمكّن من خلايا الأكياس العملية الخالية من الأنود" على الإنترنت في مجلة Nature في 18 (بتوقيت بكين).

تعتبر بطاريات الليثيوم المعدنية الخالية من الأقطاب السالبة بمثابة "الكأس المقدسة" في مجال بطاريات الليثيوم نظرًا لمزاياها المتمثلة في كثافة الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة وسهولة التجميع، ولكن عيبها القاتل المتمثل في قصر عمر الدورة بشكل كبير قد أبقاها في مرحلة النموذج الأولي المختبري لفترة طويلة.

لا تحتوي البطاريات التقليدية عديمة القطب السالب على مصدر إضافي لليثيوم للتجديد. أثناء الشحن، تميل أيونات الليثيوم إلى الترسيب بشكل غير متساوٍ على سطح جامع التيار المصنوع من رقائق النحاس، مما يؤدي إلى تكوين تفرعات شجرية، تُحفز تفاعلات جانبية وتُنتج "ليثيومًا غير فعال"، ما يُؤدي إلى تدهور سريع في البطارية. يبلغ عمر دورة المنتجات الحالية من 10 إلى 150 دورة فقط، وهو أقل بكثير من عمر دورة بطاريات الليثيوم أيون التجارية الذي يتجاوز 800 دورة.

بعد خمس سنوات ونصف من البحث، طور فريق وانغ جيان هوي "إلكتروليتًا مقترنًا بالمكوك" يمكنه تحقيق ترسيب وذوبان مستوٍ متزامن للغاية لمعدن الليثيوم، مما يحل مشكلة التشعبات بشكل أساسي.

بحسب وانغ جيان هوي، يُمكن لهذا الإلكتروليت أن يُشكّل طبقةً متجانسةً من بوليمر البورون والفلورين، بسمكٍ دون النانومتر، على سطح القطب السالب. تسمح هذه "الطبقة المُتكيفة" لأيونات الليثيوم بالدخول والخروج بشكلٍ مُنتظم، مع التكيف مع تمدد وانكماش معدن الليثيوم دون أن تنكسر. والأهم من ذلك، أن هذه الطبقة تتشكل من خلال التطور التآزري للأقطاب الموجبة والسالبة عبر الفراغ، مُتجاوزةً بذلك نظرية كيمياء واجهة الإلكتروليت التقليدية.

تُظهر البيانات التجريبية أن بطارية الليثيوم المعدنية الكيسية الخالية من القطب السالب، التي طورها الفريق، تحقق كثافة طاقة تبلغ 508 واط/كجم و1668 واط/لتر دون تعديل جامع التيار أو إضافة الليثيوم خارجيًا. وتحافظ البطارية على استقرار دورات الشحن والتفريغ لأكثر من 350 دورة عند عمق تفريغ 80%، وتدعم التفريغ المستمر عند 2650 واط/كجم لأكثر من 130 ثانية، وتعمل ضمن نطاق واسع من درجات الحرارة يتراوح بين -40 درجة مئوية و60 درجة مئوية. وتُعد تكلفة وحدة الواط/ساعة أقل بنسبة تتراوح بين 15% و25% من تكلفة بطاريات الليثيوم أيون التجارية القائمة على الجرافيت. ويؤكد تحليل معايرة مطياف الكتلة أن نسبة "الليثيوم الميت" بعد التشغيل لفترات طويلة لا تتجاوز 3.5%، وهي نسبة أقل بكثير من مثيلاتها في الإلكتروليتات المتقدمة.

تتغلب آلية "ترسيب الليثيوم المستوي وإذابته" المقترحة على عدم استقرار هياكل الأقطاب المعدنية غير المغلفة، مما يمهد الطريق لتطوير أقطاب معدنية عالية الأداء تتجاوز آلية "التضمين الكيميائي". ومن المتوقع أن يدفع هذا الإنجاز تطوير السيارات الطائرة والمركبات الكهربائية ونظارات الواقع المعزز/الواقع الافتراضي وغيرها من المجالات، مما يُمكّن من تحويل سيناريوهات مثل الرحلات اليومية بين المدن للسيارات الطائرة ومضاعفة مدى المركبات الكهربائية من مجرد فكرة إلى واقع ملموس.