طور باحثون من معهد وايزمان للعلوم أساليب مبتكرة لدراسة التشعبات في بطاريات الليثيوم المعدنية، مع إمكانية تحسين عمر البطارية وتقليل مخاطر السلامة.
في كل ليلة، لا "نشحن" أنفسنا بالنوم فحسب، بل نتأكد أيضًا من توصيل الهاتف المحمول بمأخذ كهربائي وملئه بالطاقة الجيدة ليوم كامل من التمرير وإرسال الرسائل النصية والإشعارات. لكننا لم نتمكن من القيام بذلك دائمًا: ظهرت بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن لأول مرة تجاريًا في التسعينيات وكانت بمثابة ثورة تكنولوجية حقيقية، والذي فاز أيضًا مطوروه بجائزة نوبل للكيمياء عام 2019. وبدونها، فإن الأجهزة الذكية مثل الهواتف المحمولة وسماعات الرأس اللاسلكية والسيارات الكهربائية، لن تكون ممكنة من الناحية البيئية والاقتصادية.
تتطلب وتيرة التطور التكنولوجي بطاريات أقوى وأكثر أمانًا، لكن تطوير مثل هذه البطاريات ليس بالمهمة السهلة. على سبيل المثال، تعد بطاريات الليثيوم المعدنية بزيادة سعة الطاقة في المستقبل عدة أضعاف البطاريات المستخدمة بشكل شائع اليوم، ولكنها تشكل أيضًا تحديًا كبيرًا: مع كل شحنة، تتشكل فيها أسلاك صغيرة تشبه الجذور تسمى التشعبات. قد تتراكم التشعبات وتشكل "جسورًا" معدنية داخل البطارية، حيث يمر فوقها مرور غير منضبط للإلكترونات - وهو الأمر الذي يهدد بتدمير البطارية وقد يؤدي حتى إلى نشوب حرائق. حتى الآن، كانت أساليب وصف تشكيل التشعبات محدودة. في دراسة جديدة من مختبر البروفيسور حاوية الجنس من قسم الكيمياء الجزيئية وعلوم المواد في معهد وايزمان للعلوم، طور الباحثون، بقيادة الدكتور إيان مايتي، نهجًا مبتكرًا يسمح بتحديد العوامل الموجودة في البطارية والتي تؤثر على تكوين التشعبات، وكذلك لاختبار كفاءة وسلامة مجموعات البطاريات البديلة بسرعة.
أثناء استخدام البطاريات القابلة لإعادة الشحن، تتحرك الأيونات الموجبة الشحنة بين القطب السالب (الأنود) والقطب الموجب (الكاثود) من خلال مادة موصلة تسمى المنحل بالكهرباء. وعندما يتم شحن البطارية، تعود الأيونات إلى القطب السالب - على عكس المسار الطبيعي للتفاعل الكيميائي - وبذلك تكون جاهزة لإعادة الاستخدام. يكمن الابتكار في بطاريات معدن الليثيوم في الأنود، المصنوع من معدن الليثيوم النقي. تسمح هذه المادة بتخزين الكثير من الطاقة، لكنها نشطة للغاية، من الناحية الكيميائية، وتتفاعل مع أي مادة في طريقها. وبالتالي، عند اجتماعها مع المنحل بالكهرباء، تتشكل التشعبات بسرعة وبكمية عالية، مما يشكل خطورة على المستخدم وصحة البطارية.
من الممكن منع اشتعال البطاريات عن طريق تغيير الإلكتروليت من مادة سائلة وقابلة للاشتعال إلى مادة صلبة وغير قابلة للاشتعال، على سبيل المثال مزيج من البوليمرات وجزيئات السيراميك. إن التوازن بين هذين المكونين له تأثير كبير على تكوين التشعبات وطول عمر البطارية، ولكن يبقى التحدي الرئيسي: كيف يمكننا العثور على التركيبة المثالية للبطاريات طويلة الأمد؟
استخدم الباحثون الرنين المغناطيسي النووي
اختار فريق البحث الإجابة على السؤال باستخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) - وهي طريقة مقبولة لتحديد التركيب الكيميائي للمواد، مما سمح للباحثين بمتابعة تطور التشعبات وتحديد التفاعلات الكيميائية في المنحل بالكهرباء. "عندما نظرنا إلى التشعبات الموجودة في البطاريات ذات النسب المختلفة من المواد الخزفية والبوليمرات، اكتشفنا نوعًا من "النسبة الذهبية": أظهرت الإلكتروليتات التي تتكون من 40٪ من مادة السيراميك أطول عمر،" يوضح الدكتور ميشال لاساكس لقد قمنا بزيادة نسبة مادة السيراميك عن 40%، وواجهنا مشاكل هيكلية ووظيفية أضعفت أداء البطارية، بينما أقل من ذلك أدى إلى قصر عمر البطارية." في البطاريات التي أنتجت أفضل النتائج، لوحظ بالفعل زيادة في عدد التشعبات، ولكن تم تثبيط نمو الأسلاك وأنتجت جسورًا أقل خطورة.
أثارت هذه النتائج سؤال المليون دولار، والذي قد يكون ذا قيمة أكبر بكثير من حيث التطبيقات التجارية: ما الذي يمنع نمو التغصنات؟ قدر الباحثون أن الإجابة تكمن في طبقة رقيقة فوق التشعبات المعروفة باسم الطور البيني للكهارل الصلب، أو باختصار - SEI. تتشكل طبقة SEI عندما تتفاعل التشعبات مع الإلكتروليت، ويمكن أن تتكون من مواد مختلفة لها تأثير إيجابي أو سلبي على البطارية. على سبيل المثال، يمكن للتركيب الكيميائي لطبقة SEI أن يحسن أو يمنع مرور أيونات الليثيوم على طول البطارية، ويمنع أو يسمح بمرور المواد الضارة من الأنود إلى الكاثود، ويبطئ أو يسرع تطور التشعبات.
لتوصيف طبقة SEI الرقيقة، كان على الفريق التفكير خارج البطارية. تتكون الطبقات من بضع عشرات من النانومترات الفردية من الذرات، والإشارات التي يتم الحصول عليها منها في الرنين المغناطيسي النووي ضعيفة للغاية. وفي محاولة لتضخيم الإشارات، استخدم الباحثون تقنية لم تستخدم في أبحاث البطاريات حتى الآن: تضخيم الرنين المغناطيسي النووي من خلال الاستقطاب النووي الديناميكي.
استخدام الدوران القوي للإلكترونات المستقطبة في الليثيوم
تستخدم هذه الطريقة الدوران القوي للإلكترونات المستقطبة في الليثيوم، والتي تحتوي على إشارات قوية تجعل من الممكن تضخيم الإشارات التي تنتجها النوى الذرية في طبقة SEI. وعندما فعل الباحثون ذلك، تمكنوا من فك تشفير التركيب الكيميائي لطبقات SEI بدقة كبيرة، ومن خلالهم تعرفوا على التفاعلات التي كانت موجودة بين الليثيوم والهياكل المختلفة في المنحل بالكهرباء. على سبيل المثال، يمكنهم فهم ما إذا كانت التغصنات قد تطورت عند التقاطع بين الليثيوم والبوليمر أو جزيئات السيراميك. وهكذا اكتشفوا بشكل مدهش أن طبقات SEI المتكونة في التشعبات تعمل أحيانًا على تحسين مرور الأيونات في المنحل بالكهرباء مع منع المواد الضارة.
توفر نتائج البحث رؤى جديدة يمكن أن تساعد في تطوير بطاريات أكثر متانة وأقوى وأكثر أمانًا والتي ستوفر المزيد من الطاقة بتكلفة بيئية واقتصادية أقل. ستجعل هذه البطاريات المستقبلية من الممكن تشغيل أجهزة أكثر ذكاءً وأكبر حجمًا دون زيادة حجم البطارية وزيادة عمرها الافتراضي.
"أحد الأشياء المفضلة لدي في هذا البحث هو أنه بدون فهم علمي عميق للفيزياء الأساسية، كان من المستحيل فك رموز ما يحدث داخل البطاريات. لقد مررنا بعملية مميزة جدًا للعمل هنا في معهد وايزمان - لقد "بدأت بسؤال علمي بحت، لم يتناول التشعبات على الإطلاق، ومن ثم تطورت الأبحاث مع تطبيقات عملية يمكن أن تحسن حياة كل واحد منا"، يختتم البروفيسور لاساكس.
وشارك في الدراسة أيضًا الدكتورة آسيا صابرينوفسكي أرفيلي ويهودا بوغانيم وتشين أوبنهايم من قسم الكيمياء الجزيئية وعلوم المواد في المعهد.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
