نجح باحثون صينيون في ابتكار طلاء ثوري مزدوج يحمي بطاريات الليثيوم أيون عالية السعة ويجعلها أكثر متانة، مع معالجة المشاكل الطويلة الأمد للكاثودات الغنية بالليثيوم.
وابتكر فريق من جامعتي خبي ولونغيان طلاءً يُسمى LiF@spinel، يتكون من طبقتين، الطبقة الداخلية (سبينيل) تساعد على نقل أيونات الليثيوم بسرعة وتحمي الكاثود من التلف الداخلي.
والطبقة الخارجية (LiF) تعمل كدرع لحماية السطح من التآكل الناتج عن التفاعل مع الإلكتروليت.
هذا التصميم يجعل البطارية أكثر ثباتاً، وتحافظ على الطاقة لفترة أطول، مما يحسن أداءها العام.
تُستخدم بطاريات أيونات الليثيوم في معظم السيارات الكهربائية والهواتف الذكية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة، لأنها خفيفة الوزن وقابلة لإعادة الشحن وتتمتع بكثافة طاقة عالية، ما يجعلها أساسية للانتقال إلى الطاقة النظيفة. ومع ذلك، تواجه هذه البطاريات عدة تحديات.
فقد يؤدي عدم استقرار الكاثود وانهيار الإلكتروليت وفقدان السعة التدريجي إلى تقصير عمر البطارية، كما تبقى مخاطر السلامة مثل ارتفاع الحرارة والحرائق مصدر قلق. إضافة إلى ذلك، يؤدي الاعتماد على معادن نادرة مثل الكوبالت والنيكل إلى زيادة التكلفة وصعوبات في سلسلة التوريد.
هذه القيود دفعت الباحثين لتطوير تصميمات أكثر أمانًا وقادرة على الاحتفاظ بالطاقة لفترة أطول مع أداء أفضل.
حماية الكاثودات الغنية بالليثيوم
أكاسيد الليثيوم الطبقية الغنية (LRMO) جذبت الانتباه بسبب سعتها العالية وتكلفتها الاقتصادية المنخفضة، لكنها تواجه مشاكل مثل انبعاث الأكسجين عند الجهد العالي، انهيار الهيكل، وتآكل الإلكتروليت، مما يقلل عمر البطارية،وفقا لموقع "interestingengineering".
تم تجربة طلاءات عديدة، لكنها غالبا تعيق حركة الأيونات أو تتقشر بعد الاستخدام. حل الباحثين كان في LiF@spinel، الذي يجمع بين الطبقة الداخلية لنقل الأيونات بسرعة وطبقة LiF الخارجية لحماية الكاثود من التآكل.
تم بناء الطلاء بطريقة إعادة بناء في الموقع، حيث تشكلت طبقة سبينيل ثلاثية الأبعاد على سطح الكاثود، ميسرة انتقال أيونات الليثيوم، بينما غطت طبقة LiF العليا القطب الكهربائي لتحميه من تأثير الإلكتروليت، مثبتة كيميائيًا بمركبات Ni-F.
أكدت الاختبارات باستخدام المجهر الإلكتروني ومطيافية الأشعة السينية التكامل الكامل بين الطبقتين.
وأظهرت النتائج أن البطاريات المحمية بالطلاء تحتفظ بنسبة 81.5% من السعة بعد 150 دورة عند درجتين مئويتين، مقارنة بـ 63.2% للعينات غير المغلفة. حتى عند استخدام دورات فائقة السرعة، تجاوزت السعة 80%. كما أظهرت الاختبارات مقاومة أقل، تدفق أسرع للأيونات، ونواتج ثانوية أقل تآكلًا، ما يدل على كفاءة أعلى وحماية أفضل للبطارية.