يمكن أن يتيح التصميم بطاريات ليثيوم أطول عمرًا وأكثر قوة: استخدام إلكتروليت جديد يمكن أن يسمح بأقطاب معدنية متقدمة وجهد أعلى ، وزيادة السعة ودورة الحياة

الصفحة الرئيسية > صحافة > يمكن أن يتيح التصميم بطاريات ليثيوم أطول أمدًا وأكثر قوة: يمكن أن يسمح استخدام إلكتروليت جديد بأقطاب معدنية متقدمة وجهد أعلى ، مما يعزز السعة وعمر الدورة

تُظهر صور التصوير المقطعي بالأشعة السينية التي تم التقاطها في مختبر Brookhaven الوطني تكسير جسيم في قطب كهربائي واحد لخلية بطارية تستخدم إلكتروليتًا تقليديًا (كما هو موضح على اليسار). وجد الباحثون أن استخدام إلكتروليت جديد منع معظم هذا التشقق (على اليمين).
الاعتمادات: الصورة: بإذن من الباحثين

المستخلص:
جعلت بطاريات الليثيوم أيون الأجهزة الإلكترونية خفيفة الوزن التي نعتبر إمكانية نقلها أمرًا مفروغًا منه ، بالإضافة إلى التوسع السريع في إنتاج السيارات الكهربائية. لكن الباحثين في جميع أنحاء العالم يواصلون دفع الحدود لتحقيق كثافة طاقة أكبر من أي وقت مضى - كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في كتلة معينة من المواد - من أجل تحسين أداء الأجهزة الموجودة وربما تمكين التطبيقات الجديدة مثل طويلة -الطائرات بدون طيار والروبوتات.

يمكن أن يتيح التصميم بطاريات ليثيوم تدوم لفترة أطول وأكثر قوة: يمكن أن يسمح استخدام إلكتروليت جديد بأقطاب معدنية متقدمة وجهد أعلى ، مما يعزز السعة وعمر الدورة

كامبريدج ، ماساتشوستس | نُشر في 26 مارس 2021

أحد الأساليب الواعدة هو استخدام الأقطاب الكهربائية المعدنية بدلاً من الجرافيت التقليدي ، مع جهد شحن أعلى في الكاثود. ومع ذلك ، فقد أعاقت هذه الجهود مجموعة متنوعة من التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها التي تحدث مع الإلكتروليت الذي يفصل بين الأقطاب الكهربائية. الآن ، وجد فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأماكن أخرى إلكتروليتًا جديدًا يتغلب على هذه المشاكل ويمكن أن يتيح قفزة كبيرة في الطاقة لكل وزن لبطاريات الجيل التالي ، دون التضحية بعمر الدورة.

نُشر البحث اليوم في مجلة Nature Energy في ورقة بحثية أعدها أساتذة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا جو لي ويانغ شاو هورن وجيرميا جونسون. ما بعد الدكتوراة Weijiang Xue ؛ و 19 آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ومختبرين وطنيين ، وأماكن أخرى. يقول الباحثون إن هذا الاكتشاف يمكن أن يجعل من الممكن لبطاريات الليثيوم أيون ، التي يمكنها الآن تخزين حوالي 260 واط / ساعة لكل كيلوغرام ، لتخزين حوالي 420 واط / ساعة لكل كيلوغرام. قد يُترجم ذلك إلى نطاقات أطول للسيارات الكهربائية وتغييرات تدوم طويلاً على الأجهزة المحمولة.

المواد الخام الأساسية لهذا المنحل بالكهرباء غير مكلفة (على الرغم من أن أحد المركبات الوسيطة لا يزال مكلفًا لأنه محدود الاستخدام) ، وعملية جعله بسيطًا. لذلك ، يمكن تنفيذ هذا التقدم بسرعة نسبية ، كما يقول الباحثون.

يوضح جونسون ، أستاذ الكيمياء ، أن الإلكتروليت بحد ذاته ليس جديدًا. تم تطويره قبل بضع سنوات من قبل بعض أعضاء فريق البحث هذا ، ولكن لتطبيق مختلف. لقد كان جزءًا من جهد لتطوير بطاريات الليثيوم الهوائية ، والتي يُنظر إليها على أنها الحل النهائي طويل الأجل لزيادة كثافة طاقة البطارية إلى أقصى حد. لكن لا تزال هناك العديد من العقبات التي تواجه تطوير مثل هذه البطاريات ، وقد لا تزال تلك التكنولوجيا بعيدة. في غضون ذلك ، تبين أن تطبيق هذا الإلكتروليت على بطاريات الليثيوم أيون ذات الأقطاب الكهربائية المعدنية أمر يمكن تحقيقه بسرعة أكبر.

تم العثور على التطبيق الجديد لمادة الإلكترود "مصادفة إلى حد ما" ، بعد أن تم تطويرها في البداية قبل بضع سنوات من قبل شاو هورن ، وجونسون ، وآخرين ، في مشروع تعاوني يهدف إلى تطوير بطاريات الليثيوم الهوائية.

يقول جونسون: "لا يزال حقًا لا يوجد شيء يسمح بوجود بطارية ليثيوم هواء جيدة قابلة لإعادة الشحن". ومع ذلك ، "صممنا هذه الجزيئات العضوية التي كنا نأمل أن تمنح الاستقرار ، مقارنة بالإلكتروليتات السائلة المستخدمة". لقد طوروا ثلاث تركيبات مختلفة تعتمد على السلفوناميد ، ووجدوا أنها مقاومة تمامًا للأكسدة وتأثيرات التحلل الأخرى. بعد ذلك ، بالعمل مع مجموعة Li ، قرر باحث ما بعد الدكتوراة Xue تجربة هذه المادة بمزيد من الكاثودات القياسية بدلاً من ذلك.

يقول لي ، وهو أستاذ في العلوم والهندسة النووية وعلوم وهندسة المواد ، إن نوع قطب البطارية الذي استخدموه الآن مع هذا المنحل بالكهرباء ، وهو أكسيد النيكل الذي يحتوي على بعض الكوبالت والمنغنيز ، "هو العمود الفقري لصناعة السيارات الكهربائية اليوم". .

نظرًا لأن مادة القطب الكهربي تتوسع وتتقلص متباينة الخواص عند شحنها وتفريغها ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى التشقق وانهيار الأداء عند استخدامها مع الإلكتروليتات التقليدية. ولكن في التجارب التي أجريت بالتعاون مع مختبر Brookhaven الوطني ، وجد الباحثون أن استخدام المنحل بالكهرباء الجديد قلل بشكل كبير من تدهور الإجهاد الناتج عن التآكل.

كانت المشكلة أن ذرات المعدن في السبيكة تميل إلى الذوبان في السائل المنحل بالكهرباء ، مما يؤدي إلى فقدان الكتلة مما يؤدي إلى تكسير المعدن. على النقيض من ذلك ، فإن المنحل بالكهرباء الجديد مقاوم للغاية لمثل هذا الانحلال. بالنظر إلى البيانات المأخوذة من اختبارات Brookhaven ، يقول لي ، لقد كان نوعًا من الصدمة أن ترى أنه إذا قمت بتغيير الإلكتروليت للتو ، فإن كل هذه الشقوق قد اختفت. ووجدوا أن مورفولوجيا مادة الإلكتروليت أكثر قوة ، وأن المعادن الانتقالية "ليس لديها قدر كبير من الذوبان" في هذه الإلكتروليتات الجديدة.

كان هذا مزيجًا مفاجئًا ، كما يقول ، لأن المادة لا تزال تسمح بسهولة بمرور أيونات الليثيوم - الآلية الأساسية التي يتم من خلالها شحن البطاريات وتفريغها - مع منع الكاتيونات الأخرى ، المعروفة باسم المعادن الانتقالية ، من الدخول. تم تقليل تراكم المركبات غير المرغوب فيها على سطح القطب الكهربائي بعد العديد من دورات الشحن والتفريغ بأكثر من عشرة أضعاف مقارنة بالإلكتروليت القياسي.

يقول شاو هورن ، أستاذ الهندسة الميكانيكية وعلوم وهندسة المواد: "إن المنحل بالكهرباء مقاوم كيميائيًا ضد أكسدة المواد عالية الطاقة الغنية بالنيكل ، مما يمنع تكسر الجسيمات ويثبت القطب الموجب أثناء ركوب الدراجات". "يتيح الإلكتروليت أيضًا تجريد وطلاء معدن الليثيوم بشكل مستقر وقابل للعكس ، وهي خطوة مهمة نحو تمكين بطاريات الليثيوم المعدنية القابلة لإعادة الشحن بطاقة ضعف طاقة بطاريات الليثيوم أيون الحديثة. ستعمل هذه النتيجة على تحفيز المزيد من البحث عن الإلكتروليت وتصميمات الإلكتروليتات السائلة لبطاريات الليثيوم المعدنية التي تنافس البطاريات ذات الإلكتروليتات الصلبة. "

الخطوة التالية هي توسيع نطاق الإنتاج لجعله في متناول الجميع. يقول جونسون: "نجعلها في رد فعل واحد سهل للغاية من مواد البدء التجارية المتاحة بسهولة". في الوقت الحالي ، يعد المركب السلائف المستخدم في تصنيع الإلكتروليت باهظ الثمن ، لكنه يقول ، "أعتقد أنه إذا تمكنا من إظهار أن هذا المنحل بالكهرباء رائع للإلكترونيات الاستهلاكية ، فإن الدافع لزيادة التوسع سيساعد في خفض السعر . "

نظرًا لأن هذا هو في الأساس بديل "قطرة في" لإلكتروليت موجود ولا يتطلب إعادة تصميم نظام البطارية بالكامل ، كما يقول لي ، يمكن تنفيذه بسرعة ويمكن تسويقه في غضون عامين. "لا توجد عناصر باهظة الثمن ، إنها فقط الكربون والفلور. لذا فهي ليست مقيدة بالموارد ، إنها مجرد عملية ، كما يقول.

تم دعم البحث من قبل وزارة الطاقة الأمريكية والمؤسسة الوطنية للعلوم ، واستفاد من مرافق في مختبر Brookhaven الوطني ومختبر Argonne الوطني.

####

لمزيد من المعلومات ، يرجى الضغط هنا

جهات الاتصال:
آبي أبازوريوس
مكتب أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
617.253.2709

حقوق النشر © معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

إذا كان لديك تعليق ، من فضلك اتصل بنا لنا.

جهات إصدار النشرات الإخبارية ، وليس 7th Wave، Inc. أو Nanotechnology Now ، هي المسؤولة وحدها عن دقة المحتوى.

المرجعية: