طفرة في تقنية البطارية: تقدم في بطاريات الليثيوم المعدنية سريعة الشحن
في ورقة بحثية جديدة لشركة Nature Energy ، أبلغ المهندسون عن تقدم نحو بطاريات الليثيوم المعدنية التي يتم شحنها بسرعة – بسرعة تصل إلى ساعة. هذا الشحن السريع بفضل بلورات معدن الليثيوم التي يمكن بذرها وتنميتها – بسرعة وبشكل موحد – على سطح مدهش. الحيلة هي استخدام سطح بلوري ينمو بشكل لا يحبه الليثيوم رسميًا. من هذه البلورات البذرية تنمو طبقات كثيفة من معدن الليثيوم الموحد. تعتبر الطبقات الموحدة من معدن الليثيوم ذات أهمية كبيرة للباحثين في مجال البطاريات لأنها تفتقر إلى النتوءات التي تؤدي إلى تدهور أداء البطارية والتي تسمى التشعبات. يشكل تشكيل هذه التشعبات في أنودات البطارية عقبة طويلة الأمد أمام بطاريات الليثيوم المعدنية فائقة الشحن ذات الطاقة الفائقة.
هذا النهج الجديد، بقيادة مهندسي جامعة كاليفورنيا سان دييغو، يتيح شحن بطاريات الليثيوم المعدنية في حوالي ساعة، وهي سرعة تنافس بطاريات الليثيوم أيون الحالية. نشر مهندسو جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، بالتعاون مع باحثي التصوير في جامعة كاليفورنيا في إيرفين ، هذا التقدم الذي يهدف إلى تطوير بطاريات معدنية ليثيوم سريعة الشحن اليوم (9 فبراير 2023) في مجلة Nature Energy .
في صورة SEM هذه، تنمو بلورات كبيرة وموحدة من معدن الليثيوم على سطح يثير الدهشة لأنه لا “يحب” الليثيوم. وجد باحثو بطاريات جامعة كاليفورنيا في سان دييغو أن بلورات معدن الليثيوم يمكن أن تبدأ (نواة) وتنمو بسرعة وبشكل موحد إلى طبقات كثيفة من معدن الليثيوم تفتقر إلى التشعبات المهينة للأداء. في ورقة Nature Energy نُشرت في 9 فبراير 2023، أظهر باحثو بطاريات UC San Diego أن هذا التكوين المفاجئ لبذور بلورات الليثيوم يؤدي إلى طبقات ليثيوم كثيفة حتى بمعدلات شحن عالية، مما ينتج عنه بطاريات ليثيوم معدن ذات دورة طويلة. يمكن أيضًا شحنها بسرعة. يتغلب هذا الاكتشاف على ظاهرة شائعة في بطاريات الليثيوم المعدنية القابلة لإعادة الشحن حيث يؤدي الشحن عالي السرعة دائمًا إلى الليثيوم المسامي وأعمار دورة قصيرة. من خلال استبدال الأسطح النحاسية المنتشرة في كل مكان على الجانب السلبي (الأنود) لبطاريات الليثيوم المعدنية بهذا السطح المقاوم للليثيوم المصنوع من فلوريد الليثيوم والحديد، فتح الباحثون طريقًا جديدًا لإنشاء معدن ليثيوم أكثر موثوقية وأمانًا وعالي الأداء. البطاريات. الائتمان: Zhaohui Wu و Zeyu Hui / UC San Diego
لتنمية بلورات معدن الليثيوم، استبدل الباحثون الأسطح النحاسية المنتشرة في كل مكان على الجانب السلبي (الأنود) لبطاريات الليثيوم المعدنية بسطح مركب نانوي مقاوم للليثيوم مصنوع من فلوريد الليثيوم (LiF) والحديد (Fe). باستخدام هذا السطح المضاد للليثيوم لترسب الليثيوم، تشكلت بذور بلورات الليثيوم، ومن هذه البذور نمت طبقات ليثيوم كثيفة – حتى بمعدلات شحن عالية. وكانت النتيجة بطاريات ليثيوم معدن ذات دورة حياة طويلة يمكن شحنها بسرعة.
قال بينغ ليو، أستاذ الهندسة النانوية بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو، كبير مؤلفي الورقة الجديدة: “السطح النانوي الخاص هو الاكتشاف”. “لقد تحدنا الفكرة التقليدية حول نوع السطح المطلوب لتنمية بلورات الليثيوم. الحكمة السائدة هي أن الليثيوم ينمو بشكل أفضل على الأسطح التي يحبها، وهي الأسطح المحبة لليثوفيليين. في هذا العمل، نظهر أن هذا ليس صحيحًا دائمًا. الركيزة التي نستخدمها لا تحب الليثيوم. ومع ذلك، فإنه يوفر مواقع تنوي وفيرة جنبًا إلى جنب مع حركة الليثيوم السطحية السريعة. هذان العاملان يؤديان إلى نمو هذه البلورات الجميلة. هذا مثال جيد للرؤية العلمية التي تحل مشكلة تقنية “.
صورة Cryo-TEM لبلورة واحدة من معدن الليثيوم تم بذرها على سطح مركب نانوي مقاوم للليثوفوبيا مصنوع من فلوريد الليثيوم والحديد. الكريستال الليثيوم له شكل سداسي الهرمي. في ورقة Nature Energy نُشرت في 9 فبراير 2023، أظهر باحثو UC San Diego وUC Irvine أن هذا التكوين المفاجئ لبذور بلورات الليثيوم يؤدي إلى طبقات ليثيوم كثيفة حتى بمعدلات شحن عالية، مما ينتج عنه دورة حياة طويلة من الليثيوم- البطاريات المعدنية التي يمكن شحنها بسرعة. يتغلب هذا الاكتشاف على ظاهرة شائعة في بطاريات الليثيوم المعدنية القابلة لإعادة الشحن حيث يؤدي الشحن عالي السرعة دائمًا إلى الليثيوم المسامي وأعمار دورة قصيرة. عن طريق استبدال الأسطح النحاسية الموجودة في كل مكان على الجانب السلبي (الأنود) لبطاريات الليثيوم المعدنية بهذا السطح المقاوم للليثيوم المصنوع من فلوريد الليثيوم والحديد، لقد فتح الباحثون طريقًا جديدًا لإنشاء بطاريات ليثيوم – معدن أكثر موثوقية وأمانًا وأعلى أداء. الائتمان: Chunyang Wang and Huolin Xin / UC Irvine
يمكن للتقدم الجديد الذي يقوده مهندسو النانو في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو أن يزيل حاجزًا هامًا يعيق الاستخدام الواسع لبطاريات الليثيوم المعدنية كثيفة الطاقة لتطبيقات مثل المركبات الكهربائية (EVs) والإلكترونيات المحمولة. في حين أن بطاريات الليثيوم المعدنية تنطوي على إمكانات كبيرة للمركبات الكهربائية والإلكترونيات المحمولة نظرًا لكثافة شحنتها العالية، يجب شحن بطاريات الليثيوم المعدنية اليوم ببطء شديد من أجل الحفاظ على أداء البطارية وتجنب مشاكل السلامة. يعد الشحن البطيء ضروريًا لتقليل تكوين تشعبات الليثيوم التي تدمر أداء البطارية والتي تتشكل عندما تنضم أيونات الليثيوم مع الإلكترونات لتكوين بلورات الليثيوم على جانب الأنود للبطارية. تتراكم بلورات الليثيوم مع شحن البطارية، وتذوب بلورات الليثيوم مع تفريغ البطارية.
المصدر: scitechdaily
شاهد المزيد:
