اكتشف العلماء في جامعة طوكيو للعلوم مادة مستقرة وعالية التوصيل تعتمد على أيونات الليثيوم في شكل أوكسي فلوريد من نوع البيروكلوريد، وهو مرشح ليكون القطب الصلب التالي الخالي من الكبريت والذي سيمكن من إنشاء حالة من - البطاريات الصلبة . ومن بين أمور أخرى، لا تواجه هذه الأقطاب الكهربائية الجديدة مشكلة عدم العمل في المناخات الباردة.
توفر بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة سلامة أكبر وكثافة طاقة أكبر من نظيراتها المنحل بالكهرباء السائلة، ولكنها تواجه تحديات مثل انخفاض التوصيل وعدم كفاية الاتصال بين الأقطاب الكهربائية.
يمهد هذا النوع من الإلكتروليتات الصلبة غير الكبريتية عالية التوصيل الطريق لإنتاج بطاريات الحالة الصلبة الفعالة والمتينة. ونشرت الدراسة في مجلة كيمياء المواد بمساعدة مالية من شركة دينسو.
بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) الصلبة تمامًا والتي تحتوي على إلكتروليتات صلبة غير قابلة للاشتعال وتتمتع بكثافة طاقة ومعدل نقل أعلى من تلك التي تحتوي على إلكتروليتات سائلة. ومن المتوقع أن تحصل هذه الشركات على حصة من سوق بطاريات الليثيوم أيون التقليدية ذات الإلكتروليت السائل، مثل السيارات الكهربائية.
حاليًا، يتم استخدام المواد القائمة على الكبريتيد في بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة والتي تكون موصلة، وتتفاعل مع الرطوبة لتكوين ثاني كبريتيد الهيدروجين السام. لذلك، هناك حاجة إلى إلكتروليتات صلبة غير كبريتية تكون موصلة ومستقرة في الهواء، لصنع بطاريات ليثيوم أيون صلبة آمنة وعالية الأداء وسريعة الشحن.
يمكن الإشارة إلى أوكسي فلوريد البيروكلور الذي تمت دراسته في هذا العمل بصيغة ليست بسيطة جدًا Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta). وقد خضع للتحليل الهيكلي والتركيبي باستخدام العديد من التقنيات، بما في ذلك حيود الأشعة السينية، وتحليل ريتفيلد، ومطياف الانبعاث البصري للبلازما المقترنة حثيًا، وحيود الإلكترون المختار. على وجه التحديد، تم تطوير Li1.25La0.58Nb2O6F، والذي أظهر موصلية أيونية كبيرة تبلغ 7.0 مللي سيليزي سم ¹ وموصلية أيونية إجمالية تبلغ 3.9 مللي سي سي ¹ في درجة حرارة الغرفة.
تم العثور على أن موصلية أيونات الليثيوم أعلى من تلك الموجودة في إلكتروليتات الأكسيد الصلب المعروفة. طاقة تنشيط التوصيل الأيوني لهذه المادة منخفضة للغاية، وتعد الموصلية الأيونية في درجات الحرارة المنخفضة لهذه المادة واحدة من أعلى المعدلات بين الشوارد الصلبة المعروفة، بما في ذلك المواد القائمة على الكبريتيد. ومن أجل الدقة، حتى عند -10 درجة مئوية، تتمتع المادة الجديدة بنفس الموصلية مثل الشوارد الصلبة التقليدية القائمة على الأكسيد في درجة حرارة الغرفة. علاوة على ذلك، نظرًا لأنه تم أيضًا اختبار الموصلية فوق 100 درجة مئوية، فإن نطاق تشغيل هذا المنحل بالكهرباء الصلب هو -10 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية ولا يمكن استخدام بطاريات الليثيوم أيون التقليدية في درجات حرارة منخفضة إلى الصفر. ولذلك، فإن ظروف تشغيل بطاريات الليثيوم أيون للهواتف المحمولة شائعة الاستخدام تتراوح بين 0 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية.
تمت دراسة آلية توصيل أيونات الليثيوم في هذه المادة. يغطي مسار التوصيل للهيكل من نوع البيروكلور أيونات F الموجودة في الأنفاق التي أنشأها MO6 ثماني السطوح. آلية التوصيل هي الحركة المتسلسلة لأيونات Li حيث أنها تغير الروابط مع أيونات F تتحرك نحو أقرب موضع Li، وتمر دائمًا عبر مواقع شبه مستقرة. يمنع La3+ غير المتحرك المرتبط بأيون F توصيل أيونات Li، مما يحجب مسار التوصيل ويُبطل المواضع شبه المستقرة المحيطة.
على عكس بطاريات الليثيوم أيون الثانوية الموجودة، لا تشكل بطاريات الحالة الصلبة المعتمدة على الأكسيد خطر تسرب الإلكتروليت بسبب التلف، ولا خطر توليد غازات سامة كما هو الحال مع البطاريات القائمة على الكبريتيد. ولذلك، من المتوقع أن يقود هذا الابتكار الجديد الأبحاث المستقبلية.
وعلى وجه الخصوص، فإن المادة الجديدة مستقرة للغاية ولا تشتعل فيها النيران في حالة تلفها. إنها مناسبة للطائرات والأماكن الأخرى التي تكون فيها السلامة أمرًا بالغ الأهمية. كما أنه مناسب للتطبيقات ذات القدرة العالية، مثل السيارات الكهربائية، لأنه يمكن استخدامه في درجات حرارة عالية ويدعم الشحن السريع. علاوة على ذلك، فهي أيضًا مادة واعدة لتصغير البطاريات والأجهزة المنزلية والأجهزة الطبية.
وفقًا للبروفيسور فوجيموتو، «إن تصنيع بطاريات ليثيوم أيون الثانوية ذات الحالة الصلبة الكاملة كان منذ فترة طويلة حلم العديد من الباحثين في مجال البطاريات. لقد اكتشفنا إلكتروليت الأكسيد الصلب الذي يعد مكونًا رئيسيًا في بطاريات أيونات الليثيوم ذات الحالة الصلبة، والتي تتمتع بكثافة طاقة عالية وآمنة. بالإضافة إلى كونها مستقرة في الهواء، فإن المادة تتمتع بموصلية أيونية أعلى من إلكتروليتات الأكسيد الصلب التي تم الإبلاغ عنها سابقًا.
"إن المادة المكتشفة حديثًا آمنة ولها موصلية أيونية أعلى من الشوارد الصلبة القائمة على الأكسيد والتي تم الإبلاغ عنها سابقًا. إن استخدام هذه المادة يعد أمرا واعدا لتطوير البطاريات الثورية التي يمكن أن تعمل في نطاق واسع من درجات الحرارة، من المنخفضة إلى العالية،» كما يتوقع البروفيسور فوجيموتو. "نحن نعتقد أنه تم استيفاء متطلبات الأداء لتطبيق الإلكتروليتات الصلبة للسيارات الكهربائية."
بفضل قناة Telegram الخاصة بنا، يمكنك البقاء على اطلاع دائم بما يتم نشره من مقالات السيناريوهات الاقتصادية الجديدة.
مقالة الليثيوم: مادة مبتكرة تم اكتشافها للبطاريات الصلبة الخالية من الكبريت تأتي من Scenari Economici .