وفقًا لتقارير وسائل الإعلام الأجنبية ، حددت مجموعة من الباحثين في مختبر Brookhaven الوطني (مختبر Brookhaven الوطني) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) تفاصيل جديدة حول آلية التفاعل الداخلي لبطاريات أنود معدن الليثيوم. ، خطوة مهمة لبطاريات السيارات الكهربائية الأرخص ثمناً.

باحثو البطارية في مختبر Brookhaven الوطني (مصدر الصورة: مختبر Brookhaven الوطني)

إعادة تصنيع أنود الليثيوم

من الهواتف الذكية إلى السيارات الكهربائية ، يمكننا أن نرى التقليد. على الرغم من أن بطاريات الليثيوم قد أتاحت استخدام العديد من التقنيات على نطاق واسع ، إلا أنها لا تزال تواجه تحديات في توفير الطاقة لمسافات طويلة للسيارات الكهربائية.

يهدف Battery500 ، وهو تحالف يقوده باحثون جامعيون بتمويل من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ووزارة الطاقة الأمريكية ، إلى إنشاء خلية بطارية ذات كثافة طاقة تبلغ 500 وات / كجم. بمعنى آخر ، إنها ضعف كثافة الطاقة للبطاريات الأكثر تقدمًا اليوم. وتحقيقا لهذه الغاية ، يركز التحالف على البطاريات المصنوعة من أنودات الليثيوم المعدنية.

تستخدم بطاريات الليثيوم المعدنية معدن الليثيوم كقطب موجب. في المقابل ، تستخدم معظم بطاريات الليثيوم الجرافيت كأنود. قال الباحثون: “أنود الليثيوم هو أحد العوامل الرئيسية للوصول إلى هدف كثافة الطاقة Battery500”. “الميزة هي أن كثافة الطاقة هي ضعف كثافة البطاريات الموجودة. أولاً ، السعة المحددة للأنود عالية جدًا ؛ ثانيًا ، يمكن أن يكون لديك بطارية ذات جهد أعلى ، ويمكن أن يكون للجمع بين الاثنين كثافة طاقة أعلى. ”

لقد أدرك العلماء منذ فترة طويلة مزايا أنودات الليثيوم ؛ في الواقع ، أنود معدن الليثيوم هو أول أنود مقترن بقطب البطارية الكاثود. ومع ذلك ، نظرًا لعدم وجود “قابلية انعكاس” للأنود ، أي القدرة على الشحن من خلال تفاعل كهروكيميائي عكسي ، انتهى الأمر بالباحثين في مجال البطاريات باستخدام أنودات الجرافيت بدلاً من أنودات الليثيوم المعدنية لصنع بطاريات الليثيوم.

الآن ، بعد عقود من التقدم ، أصبح الباحثون واثقين من تحقيق أنود معدن الليثيوم قابل للانعكاس لدفع حدود بطاريات الليثيوم. المفتاح هو الواجهة ، طبقة المواد الصلبة التي تتشكل على أقطاب البطارية أثناء التفاعل الكهروكيميائي.

قال الباحثون: “إذا تمكنا من فهم هذه الواجهة تمامًا ، فيمكنها توفير إرشادات مهمة لتصميم المواد وتصنيع أنودات الليثيوم القابلة للعكس”. “لكن فهم هذه الواجهة يمثل تحديًا كبيرًا لأنها طبقة رقيقة جدًا من المواد ، لا يتجاوز سمكها بضعة نانومترات ، وهي حساسة للهواء والرطوبة ، لذا فإن التعامل مع العينات أمر صعب.”

تم تصور هذه الواجهة في NSLS-II

من أجل حل هذه التحديات و “رؤية” التركيب الكيميائي وهيكل الواجهة ، استخدم الباحثون National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II) ، وهو مرفق مستخدم لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة التابع لمختبر Brookhaven الوطني ، والذي ينتج أشعة سينية فائقة السطوع لدراسة الخصائص المادية للواجهة على المقياس الذري.

بالإضافة إلى استخدام الإمكانات المتقدمة لـ nSLS-II ، يحتاج الفريق أيضًا إلى استخدام خط شعاع (محطة تجريبية) يمكنه اكتشاف جميع مكونات الواجهة ، واستخدام الأشعة السينية عالية الطاقة (ذات الطول الموجي القصير) للكشف عن البلورات. ومراحل غير متبلورة.

قال الباحثون: “اعتمد فريق الكيمياء منهج XPD متعدد الأوضاع ، باستخدام طريقتين مختلفتين يوفرهما خط الشعاع ، حيود الأشعة السينية (XRD) وتحليل وظيفة التوزيع (PDF)”. “يمكن لـ XRD دراسة المراحل البلورية ، ويمكن لـ PDF دراسة الأطوار غير المتبلورة.”

كشف تحليل XRD و PDF عن نتائج مثيرة: هيدريد الليثيوم (LiH) موجود في الواجهة. لعقود من الزمان ، كان العلماء يتجادلون حول وجود LiH في الواجهة ، مما يخلق حالة من عدم اليقين بشأن آلية التفاعل الأساسية التي تشكل الواجهة.

“LiH وفلوريد الليثيوم (LiF) لهما هياكل بلورية متشابهة جدًا. قال الباحث إن ادعاءاتنا بشأن اكتشاف LiH قد شكك بها بعض الأشخاص الذين يعتقدون أننا نخلط بين LiF و LiH.

في ضوء الجدل المتضمن في الدراسة والتحديات التقنية للتمييز بين LiH و LiF ، قرر فريق البحث تقديم أدلة متعددة على وجود LiH ، بما في ذلك إجراء تجارب التعرض للهواء.

قال الباحثون: “LiF مستقر في الهواء ، لكن LiH غير مستقر. إذا عرّضنا الواجهة للهواء الرطب ، وإذا انخفضت كمية المركب بمرور الوقت ، فيمكننا تأكيد أننا نرى بالفعل LiH ، وليس LiF ، وهو LiF. نظرًا لصعوبة التمييز بين LiH و LiF ولم يتم إجراء تجربة التعرض للهواء من قبل ، فمن المرجح أن يتم الخلط بين LiH و LiF في العديد من تقارير الأدبيات ، أو لم يتم ملاحظته بسبب تحلل LiH في بيئة رطبة. ”

واصل الباحث. “إن عمل تحضير العينات الذي تقوم به PNNL أمر بالغ الأهمية لهذا البحث. نشك في أن العديد من الأشخاص فشلوا في التعرف على LiH لأن عيناتهم تعرضت لبيئة رطبة قبل التجربة “. إذا لم تقم بجمع العينات بشكل صحيح ، وختم العينات وعينات الشحن ، فقد تفوتك LiH. ”

بالإضافة إلى تأكيد وجود LiH ، قام الفريق أيضًا بحل لغز آخر طويل الأمد يحيط بـ LiF. لطالما اعتبر LiF مكونًا مفيدًا للواجهة ، لكن لا أحد يفهم السبب تمامًا. حدد الفريق الاختلافات الهيكلية لـ LiF داخل الواجهة ومعظم الاختلافات الهيكلية لـ LiF نفسه ، ووجد أن الأول عزز نقل أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود.

يواصل علماء البطارية من مختبر Brookhaven الوطني والمختبرات الوطنية الأخرى والجامعات التعاون. قال الباحثون إن هذه النتائج ستوفر إرشادات عملية مطلوبة بشدة لتطوير أنودات معدن الليثيوم.