تحسين الأداء والعمر – العلماء يحلون لغز البطارية
استخدم باحثو KIT عمليات المحاكاة لتوصيف تكوين الطور البيني للكهرباء الصلبة. الائتمان: كريستين هاينريش
وصف الباحثون في KIT العمليات الكيميائية التي تحدث في أقطاب بطاريات الليثيوم أيون.
أصبحت بطاريات الليثيوم أيون جزءًا مهمًا من حياتنا اليومية، وهي تعمل بفضل تكوين طبقة التخميل أثناء دورة الشحن الأولية. من خلال عمليات المحاكاة، اكتشف الباحثون في معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) أن الطور البيني للكهرباء الصلبة لا يتشكل مباشرة عند القطب الكهربي ولكنه يتراكم في المحلول بدلاً من ذلك.
نشر العلماء النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Advanced Energy Materials . تمهد نتائجهم الطريق لتحسين أداء وعمر البطاريات المستقبلية.
من الهواتف الذكية إلى السيارات الكهربائية – أينما كان مصدر الطاقة المحمول مطلوبًا، فإن بطارية ليثيوم أيون تؤدي المهمة دائمًا. يعد الطور البيني للكهرباء الصلبة (SEI) جزءًا أساسيًا من الوظيفة الموثوقة لهذه البطاريات وغيرها من بطاريات الإلكتروليت السائلة. تتشكل طبقة التخميل هذه عندما يتم تطبيق الجهد لأول مرة. يتحلل المنحل بالكهرباء في المنطقة المجاورة مباشرة للسطح.
حتى الآن، لا يزال من غير الواضح كيف تشكل الجسيمات الموجودة في الإلكتروليت طبقة يصل سمكها إلى 100 نانومتر على سطح القطب حيث أن تفاعل التحلل ممكن فقط ضمن مسافة بضع نانومتر من السطح.
تعتبر طبقة التخميل على سطح الأنود أمرًا بالغ الأهمية للقدرة الكهروكيميائية وعمر بطارية ليثيوم أيون لأنها تتعرض للتوتر الشديد مع كل دورة شحن. عندما يتم تفكيك SEI أثناء هذه العملية، يتحلل المنحل بالكهرباء بشكل أكبر ويتم تقليل سعة البطارية – وهي العملية التي تحدد عمر البطارية.
من خلال المعرفة الصحيحة بنمو وتكوين SEI، يمكن التحكم في خصائص البطارية. ولكن حتى الآن، لم يكن هناك نهج تجريبي أو بمساعدة الكمبيوتر كافٍ لفك تشفير عمليات النمو المعقدة لـ SEI التي تحدث على نطاق واسع جدًا وبأبعاد مختلفة.
الدراسة كجزء من بطارية مبادرة الاتحاد الأوروبي 2030+
تمكن الباحثون في معهد KIT لتقنية النانو (INT) الآن من توصيف تشكيل SEI بنهج متعدد المقاييس. يقول البروفيسور وولفجانج وينزل، مدير مجموعة البحث “نمذجة المواد متعددة النطاقات والتصميم الافتراضي” في INT، التي تشارك في مبادرة الأبحاث الأوروبية واسعة النطاق BATTERY 2030+ التي تهدف إلى تطوير بطاريات عالية الأداء آمنة، وبأسعار معقولة، وطويلة الأمد، ومستدامة للمستقبل.
يقدم باحثو KIT تقريرًا عن النتائج التي توصلوا إليها في مجلة Advanced Energy Materials.
أكثر من 50000 محاكاة لظروف تفاعل مختلفة
لدراسة نمو وتكوين طبقة التخميل عند القطب الموجب لبطاريات الإلكتروليت السائلة، أنشأ الباحثون في INT مجموعة من أكثر من 50000 محاكاة تمثل ظروف تفاعل مختلفة. وجدوا أن نمو SEI العضوي يتبع مسارًا يتوسطه المحلول: أولاً، تنضم سلائف SEI التي يتم تشكيلها مباشرة على السطح بعيدًا عن سطح القطب عبر عملية التنوي.
يؤدي النمو السريع اللاحق للنواة إلى تكوين طبقة مسامية تغطي في النهاية سطح القطب. تقدم هذه النتائج حلاً للموقف المتناقض الذي لا يمكن لمكونات SEI أن تتشكل إلا بالقرب من السطح، حيث تتوفر الإلكترونات، لكن نموها سيتوقف بمجرد تغطية هذه المنطقة الضيقة.
يوضح الدكتور صايبال جانا، باحث ما بعد الدكتوراه في INT وأحد مؤلفي الدراسة: “لقد تمكنا من تحديد معلمات التفاعل الرئيسية التي تحدد سمك SEI”. “سيمكن هذا من التطوير المستقبلي للإلكتروليتات والإضافات المناسبة التي تتحكم في خصائص SEI وتحسن أداء البطارية وعمرها.”
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
