بطارية الليثيوم الآمنة والمائية تحزم لكمة طاقة

2019-08-14 16:00:00

بطاريات الليثيوم-أيون التي تستخدم الشوارد المائية بدلاً من المذيبات القابلة للاشتعال تجعل الأجهزة القابلة لإعادة الشحن أكثر أمانًا. لكن أداء البطاريات المائية كان دون المستوى. الآن ، من خلال تصميم كاثود جديد عالي السعة ، صنع الباحثون بطارية ليثيوم أيون مائية تفتخر بكثافة طاقة مماثلة للأجهزة التجارية - ومن غير المرجح أن تنفجر (Nature ، 2019. DOI: 10.1038 / s41586-019 -1175-6).

يجب أن تكون البطارية فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة بالإضافة إلى كونها أكثر أمانًا. وذلك لأن الكاثود المصنوع من الجرافيت وأملاح هاليد الليثيوم يتخلص من المعادن النادرة والمكلفة مثل الكوبالت والنيكل الموجود في الكاثودات التقليدية.

يعمل الباحثون على بطاريات الليثيوم المائية لأكثر من عقدين. أحد عيوب الشوارد المائية هي أنها تعمل فقط بجهد منخفض ، حوالي 1.2 فولت ، لذلك لا يمكنها توفير طاقة كافية للإلكترونيات الاستهلاكية مثل الهواتف المحمولة ، والتي تحتاج إلى 4 فولت. مثل أي بطارية أخرى ، كان التحدي هو العثور على الجمع الصحيح بين القطب والمادة بالكهرباء للحصول على جهد عالي وكثافة الطاقة وعمر الدورة. من أجل زيادة الجهد ، قام المهندس الكيميائي والجزيئي الحيوي بجامعة ميريلاند تشونشنغ وانج وزملاؤه في مختبر أبحاث الجيش الأمريكي بتطوير إلكتروليتات المياه في الملح ، وهي مواد هلامية لزجة مركزة للغاية من أملاح الليثيوم. من خلال الجمع بين هذه الشوارد مع الطلاء الواقي للأنودات ، صنعوا بطاريات 4V (Science 2015 ، DOI: 10.1126 / science.aab1595).

ركز الفريق الآن اهتمامه على الكاثود. في بطارية ليثيوم أيون ، تتحرك أيونات الليثيوم ذهابًا وإيابًا بين القطبين. تعتمد كثافة طاقة البطارية على مدى امتصاص الأقطاب وإطلاق أيونات. تستخدم معظم بطاريات الليثيوم أيون ، بما في ذلك البطاريات المائية التي تم تصنيعها حتى الآن ، كاثود أكسيد الليثيوم والمعدن وأنود الجرافيت.

يحمل الجرافيت شحنة أكبر بكثير من أكاسيد معدن الليثيوم لأن أيونات الليثيوم تتقارب أو تنزلق بسهولة بين طبقات الكربون الجرافيت خفيفة الوزن. لذا قررت مجموعة وانغ استخدام الجرافيت للكاثود أيضًا. حاول البعض الآخر هذا من قبل ، باستخدام الجرافيت النقي للأقطاب الكهربائية ومحلول ملح الليثيوم كمحلل للكهرباء. لكن هذه التصميمات تستهلك الليثيوم والأيونات الأخرى من المنحل بالكهرباء للعمل ، لذا فهي تتطلب كمية كبيرة من المنحل بالكهرباء ، كما يقول الباحث جي تشن ما بعد الدكتوراه. تعني هذه الكتلة المتزايدة أن البطاريات لديها كثافة طاقة أقل.

ولمكافحة ذلك ، قام هو وزملاؤه مسبقًا بتحميل كاثود الجرافيت مع مساحيق بروميد الليثيوم وكلوريد الليثيوم. لا تذوب أملاح الهاليد هذه في محلول الإلكتروليت عالي التركيز - فهي تبقى ثابتة. لكن أيونات الليثيوم يمكن أن تتحرك ، وتنتقل إلى الكاثود وتخرج منه عندما يتم تفريغ البطارية وإعادة شحنها. يقول تشين: "لا تتضمن هذه العملية استهلاك الملح في المنحل بالكهرباء ، لذلك لا حاجة للكهارل بكميات كبيرة".

تعمل هذه الإستراتيجية على زيادة كثافة طاقة الكاثود إلى 970 واط / كجم ، تقريبًا ضعف الكاثود من أكسيد الكوبالت الليثيوم المستخدم في بطاريات الهواتف الذكية وأعلى من الكاثودات القائمة على النيكل والكوبالت. قام الباحثون بدمج الكاثود مع أنود الجرافيت النقي لإنشاء خلية بطارية ليثيوم أيون كاملة ، لها كثافة طاقة تبلغ 460 واط / كجم ، مطابقة لتلك الموجودة في بعض أفضل البطاريات التجارية.

يقول Gleb Yushin ، عالم المواد والمهندس في معهد جورجيا للتكنولوجيا: "يقدم هذا العمل تقارير عن معالم رئيسية متعددة لبطاريات أيون مائي ، ويوفر قفزة كبيرة نحو استخدامها المجدي تجاريًا في التخزين الثابت وربما حتى تطبيقات النقل الكهربائي".

ومع ذلك ، يقول ، إنها بعيدة عن الاستعداد التجاري. سيظل الباحثون بحاجة إلى حل العديد من القضايا العلمية والهندسية من أجل التنافس مع الخلايا التجارية الحديثة ، كما يقول يوشين. تبدأ سعة البطارية ، على سبيل المثال ، في التلاشي بعد 150 دورة ، كما يجب أن تكون مستقرة عند نطاق درجة حرارة واسع.

يقول باحث ما بعد الدكتوراه Chongyin Yang أنهم يحاولون الآن معالجة هذه القضايا ويجربون أيضًا استخدام الفلور في الكاثود. ويقول: "إنه أحد العناصر الأخف ، وإذا تمكنا من استخدامه ، فسيزيد من كثافة الطاقة".