بطاريات ليثيوم أيون الجديدة التي تعمل بشكل جيد في درجات الحرارة العالية والبرودة الشديدة
طور المهندسون في جامعة كاليفورنيا سان دييغو (UCSD) بطاريات ليثيوم أيون جديدة تعمل بشكل جيد في درجات الحرارة المتجمدة والحارقة، بينما لا تزال تحزم الكثير من الطاقة.
وفقًا للباحثين، تم إنجاز هذا العمل الفذ من خلال تطوير إلكتروليت ليس فقط متعدد الاستخدامات وقويًا في نطاق درجات حرارة واسع، ولكنه متوافق أيضًا مع القطب الموجب والكاثود عالي الطاقة.
تم وصف البطاريات المقاومة لدرجة الحرارة في ورقة نُشرت في الأسبوع الذي يبدأ في 4 يوليو في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
يمكن للبطاريات التي تعتمد على هذه التقنية أن تسمح للسيارات الكهربائية في الأجواء الباردة بالسفر لمسافة أبعد بشحنة واحدة.
قال تشنغ تشن، أستاذ الهندسة النانوية في كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا، جاكوبس وكبير مؤلفي الدراسة، إن بإمكانهم أيضًا تقليل الحاجة إلى أنظمة التبريد لمنع ارتفاع درجة حرارة حزم بطاريات المركبات في المناخات الحارة.
“أنت بحاجة إلى تشغيل بدرجة حرارة عالية في المناطق التي يمكن أن تصل فيها درجة الحرارة المحيطة إلى الأرقام الثلاثة وتكون الطرق فيها أكثر سخونة.
وأوضح تشين، وهو أيضًا عضو هيئة التدريس في مركز الطاقة والطاقة المستدامة بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو، أن البطاريات في السيارات الكهربائية تكون عادةً تحت الأرض، بالقرب من هذه الطرق الالساخنة.
أيضًا،تم تسخين البطاريات بمجرد مرور تيار أثناء التشغيل. إذا لم تستطع البطاريات تحمل هذا الاحماء عند درجة حرارة عالية، فسوف يتدهور أداؤها بسرعة “.
يعد مؤلف الدراسة الأول Guorui Cai ، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في الهندسة النانوية في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو، خلية بطارية لاختبارها في درجة حرارة منخفضة جدًا. الائتمان: David Baillot / كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس
في الاختبارات، احتفظت بطاريات إثبات المفهوم بنسبة 87.5٪ و115.9٪ من طاقتها عند -40 و50 درجة مئوية (-40 و122 درجة فهرنهايت)، على التوالي.
لديهم أيضًا كفاءة Coulombic عالية تبلغ 98.2٪ و98.7٪ في درجات الحرارة هذه، على التوالي، مما يعني أن البطاريات يمكن أن تخضع لدورات شحن وتفريغ أكثر قبل أن تتوقف عن العمل.
البطاريات التي طورها تشين وزملاؤه تتميز بالبرودة والحرارة بفضل إلكتروليتها الفريد. وهي مصنوعة من محلول سائل من ثنائي بيوتيل الأثير ممزوجًا بملح الليثيوم.
من السمات الخاصة للإيثر الثنائي البوتيل أن جزيئاته ترتبط بشكل ضعيف بأيونات الليثيوم. بمعنى آخر، يمكن لجزيئات الإلكتروليت أن تتخلص بسهولة من أيونات الليثيوم أثناء تشغيل البطارية.
اكتشف الباحثون في دراسة سابقة أن هذا التفاعل الجزيئي الضعيف يحسن أداء البطارية في درجات حرارة دون الصفر.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للإيثر الثنائي البوتيلي أن يأخذ الحرارة بسهولة لأنه يبقى سائلاً عند درجات حرارة عالية (تبلغ درجة غليانه 141 درجة مئوية، أو 286 درجة فهرنهايت).
يتم اختبار أداء درجات الحرارة العالية لخلايا جراب البطارية في فرن مسخن إلى 50 درجة مئوية. الائتمان: David Baillot / كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس
استقرار كيمياء الليثيوم والكبريت
ما يميز هذا الإلكتروليت أيضًا أنه متوافق مع بطارية ليثيوم كبريت، وهي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تحتوي على أنود مصنوع من معدن الليثيوم وكاثود مصنوع من الكبريت.
تعد بطاريات الليثيوم الكبريتية جزءًا أساسيًا من تقنيات الجيل التالي للبطاريات لأنها تعد بكثافة طاقة أعلى وتكاليف أقل.
يمكنهم تخزين ما يصل إلى ضعف الطاقة لكل كيلوغرام من بطاريات الليثيوم أيون الحالية – وهذا يمكن أن يضاعف نطاق السيارات الكهربائية دون أي زيادة في وزن حزمة البطارية.
أيضًا، الكبريت أكثر وفرة وأقل إشكالية في المصدر من الكوبالت المستخدم في كاثودات بطاريات الليثيوم أيون التقليدية.
لكن هناك مشاكل مع بطاريات الليثيوم الكبريت. كل من الكاثود والأنود متفاعلان للغاية. كاثودات الكبريت شديدة التفاعل بحيث تذوب أثناء تشغيل البطارية.
تزداد هذه المشكلة سوءًا في درجات الحرارة المرتفعة. كما أن أنودات الليثيوم المعدنية معرضة لتكوين هياكل تشبه الإبرة تسمى التشعبات التي يمكن أن تخترق أجزاء من البطارية، مما يتسبب في حدوث قصر في الدائرة الكهربائية. نتيجة لذلك، تدوم بطاريات الليثيوم-الكبريت فقط حتى عشرات الدورات.
Zheng Chen ، أستاذ الهندسة النانوية في جامعة كاليفورنيا في سان دييغو. الائتمان: David Baillot / كلية الهندسة بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو جاكوبس
قال تشين: “إذا كنت تريد بطارية ذات كثافة طاقة عالية، فإنك تحتاج عادةً إلى استخدام مواد كيميائية شديدة الصعوبة ومعقدة”.
“الطاقة العالية تعني حدوث المزيد من التفاعلات، مما يعني استقرارًا أقل، والمزيد من التدهور. إن صنع بطارية عالية الطاقة ومستقرة مهمة صعبة بحد ذاتها — بل إن محاولة القيام بذلك من خلال نطاق درجات حرارة عريض يمثل تحديًا أكبر “.
يمنع إلكتروليت ثنائي بيوتيل الأثير الذي طوره فريق البحث بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو هذه المشكلات، حتى في درجات الحرارة العالية والمنخفضة.
البطاريات التي تم اختبارها كانت تدوم أطول بكثير من عمر بطارية الليثيوم-الكبريت النموذجية. قال تشين: “يساعد الإلكتروليت الخاص بنا على تحسين جانب الكاثود وجانب الأنود مع توفير توصيلية عالية واستقرار بيني”.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
