ستسمح بطارية الليثيوم الأكسجين المحسنة بتحسين قدرة السيارات الكهربائية

وفقًا للباحثين، سيكون النوع الجديد من بطاريات الليثيوم والأكسجين، الذي يستخدم جزيئات أكسيد الليثيوم الزجاجية النانوية، قادرًا على توفير المزيد من الطاقة، فضلاً عن زيادة كفاءة الطاقة واستقرارها.

وتعتبر بطاريات الليثيوم-الهواء من التقنيات الواعدة بشكل خاص في السيارات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية المحمولة، وذلك بفضل قدرتها على توفير طاقة عالية مقارنة بوزنها. في الوقت نفسه، تتمتع البطاريات من هذا النوع بعدد من العيوب الخطيرة: فهي تستخدم قدرًا كبيرًا من الطاقة المستثمرة فيها كحرارة مهدرة وتتحلل بسرعة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، فإنها تتطلب أيضًا مكونات باهظة الثمن بشكل خاص لامتصاص غاز الأكسجين للداخل والخارج، في تكوين خلية مفتوحة يختلف تمامًا عن البطاريات العادية المغلقة. ومع ذلك، فإن النسخة الجديدة من النظام الكهروكيميائي، والتي يمكن استخدامها داخل بطارية عادية مغلقة تماما، تعد بأداء نظري على مستوى بطاريات الليثيوم الهواء، مع التغلب على كل هذه النواقص.

تم وصف النوع الجديد من البطاريات، المعروفة باسم بطارية الكاثود النانوليثيوم، في المجلة العلمية Nature Energy في مقال كتبه جو لي، أستاذ العلوم والهندسة النووية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، مع زملاء من جامعة بكين في الصين. ويوضح الباحث أن أحد عيوب بطاريات الليثيوم الهواء هو عدم وجود علاقة بين الجهد المستخدم في شحن البطارية وتفريغها. يكون جهد البطارية الناتج أقل بمقدار 1.2 فولت من الجهد المستخدم لشحنها، مما يمثل فقدانًا كبيرًا للطاقة في كل دورة شحن. "إنك تفقد 30% من الطاقة الكهربائية على شكل حرارة تنبعث أثناء الشحن. ويضيف: "تصبح البطارية ساخنة جدًا إذا قمت بشحنها لفترة طويلة جدًا". تمتص بطاريات الليثيوم الهواء الأكسجين من الهواء المحيط لتسريع التفاعل الكيميائي مع الليثيوم الموجود في البطارية أثناء دورة التفريغ، ثم يتم إطلاق هذا الأكسجين مرة أخرى إلى الغلاف الجوي أثناء التفاعل العكسي لدورة الشحن.

وفي الإصدار الجديد، تتم التفاعلات الكهروكيميائية التي تحدث بين الليثيوم والأكسجين أثناء مرحلتي الشحن والتفريغ دون عودة الأكسجين إلى حالته الغازية. بدلاً من ذلك، يبقى الأكسجين داخل المادة الصلبة ويتحرك بين حالات الأكسدة الثلاث المحتملة، بينما يرتبط بثلاثة أنواع مختلفة من المركبات الكيميائية الصلبة: Li2O، وLi2O2، وLiO2 الممزوجة معًا على شكل زجاج. يعمل هذا الوضع على تقليل فقدان الجهد بمعامل خمسة، من 1.2 فولت إلى 0.24 فولت فقط، بحيث يتم تحويل 8% فقط من الطاقة الكهربائية إلى حرارة. ويوضح كبير الباحثين: "المعنى هو الشحن بشكل أسرع في المركبات، وذلك لأن انبعاث الحرارة من علبة البطارية يقلل من المخاطر على السلامة، فضلا عن تحقيق كفاءة أعلى في استخدام الطاقة".

يساعد هذا النهج في التغلب على مشكلة أخرى في بطاريات الليثيوم من نوع الهواء: عندما يحول التفاعل الكيميائي المتضمن في الشحن والتفريغ الأكسجين من حالته الغازية إلى حالته الصلبة، تخضع المادة لتغيرات كبيرة جدًا في الحجم قد تتداخل مع نقل الشحنة الكهربائية المسارات في الهيكل، وهي نتيجة قد تقلل من عمر البطارية. ويكمن سر الخليط الجديد في إنتاج جزيئات صغيرة، على مستوى النانومتر، والتي تشمل كلا من الليثيوم والأكسجين على شكل زجاج، مثبتة بقوة داخل سطح أكسيد الكوبالت. يطلق الباحثون على هذه الجسيمات اسم "نانوليثيا". في هذه الحالة، يمكن أن يحدث الانتقال بين Li2O وLi2O2 وLiO2 بالكامل داخل المادة الصلبة، كما يوضح الباحث. عادة، من المفترض أن تكون هذه الجسيمات غير مستقرة للغاية، لذلك قام الباحثون بتثبيتها داخل سطح أكسيد الكوبالت، وهي مادة تشبه الإسفنج مليئة بالمسام التي يبلغ حجمها بضعة نانومترات فقط. يعمل هذا السطح على تثبيت الجزيئات ويعمل أيضًا كمحفز للانتقال بين أشكالها المختلفة.

ويوضح الباحث أن بطاريات الليثيوم والهواء العادية هي في الواقع "بطاريات أكسجين وليثيوم جاف لأن هذه المكونات لا تستطيع التعامل مع الرطوبة أو ثاني أكسيد الكربون"، لذلك يجب فصلها بشكل صحيح عن الهواء الذي يدخل البطارية. "في البطاريات العادية، تحتاج إلى أنظمة مساعدة ضخمة من أجل إبقاء الماء وثاني أكسيد الكربون بعيدًا عن النظام، وهذا أمر صعب للغاية." ومن ناحية أخرى فإن البطارية الجديدة التي لا تستخدم شفط الهواء من البيئة تتجنب هذه المشكلة. كما أن البطارية الجديدة محمية بطبيعتها من الشحن الزائد، كما يقول فريق البحث، نظرًا لأن التفاعل الكيميائي في هذه الحالة محدود ذاتيًا - فعندما يبدأ الشحن الزائد، يتحول التفاعل إلى حالة أخرى تمنع المزيد من النشاط. يوضح الباحث الرئيسي: "في البطاريات العادية، قد تتسبب حالة الشحن الزائد في حدوث أضرار هيكلية لا يمكن إصلاحها أو حتى حدوث انفجار". ومع ذلك، مع بطارية نانو ليثيوم، "لقد قمنا بشحن البطارية بشكل زائد لمدة 15 يومًا، بما يصل إلى مئات أضعاف سعتها، وما زلنا لا نرى أي ضرر هيكلي".

ومرت نسخة مختبرية من البطارية الجديدة بـ 120 دورة شحن وتفريغ، وأظهرت فقدانًا للسعة أقل من 2%، وهي نتيجة تشير إلى أن التكنولوجيا الجديدة يمكن أن تظل مستقرة لفترة طويلة. وبما أن النظام بأكمله متين، سيكون من الممكن تجميعه بسهولة في الأنظمة الحالية وفي حالات البطاريات التجارية في صناعات السيارات والإلكترونيات وتخزين الطاقة. وفي ضوء كون كاثودات من نوع "الأكسجين الصلب" خفيفة الوزن للغاية مقارنة بكاثودات بطاريات الليثيوم أيون العادية، فإن التصميم الجديد سيكون قادرا على تخزين ضعف كمية الطاقة (لكل وحدة وزن) مقارنة بـ البطاريات الموجودة. ويوضح الباحث أن كل هذا التقدم تم تحقيقه دون إضافة مكونات أو مواد باهظة الثمن. الكربون الذي يستخدمونه كإلكتروليت سائل في البطارية هو أرخص إلكتروليت متاح. ويزن سطح أكسيد الكوبالت أقل من نصف وزن مكون النانوليثيوم. وبشكل عام، يشير الباحث إلى أن النظام الجديد "أرخص وسريع جدًا وسهل التجميع" من بطاريات الليثيوم الهوائية التقليدية.

أخبار الدراسة

ملخص المقال

في النهج الجديد، يتم تثبيت الجزيئات الصلبة النانوية المكونة من مركبات الليثيوم والأكسجين (باللونين الأحمر والأبيض) داخل بنية تشبه الإسفنج من أكسيد الكوبالت (باللون الأصفر) مما يبقيها مستقرة. [بإذن من الباحثين]