جامعة Dongguk تطور تقنية البطاريات الصلبة فائقة النحافة لتعزيز استقرار البطارية وكثافة الطاقة

بطارية بسماكة تبلغ 2.77 ميكرون فقط قد توفر حلول طاقة للأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء، وأجهزة الاستشعار الدقيقة، والأجهزة الطبية. تم تطوير هذه التقنية من قبل فريق بحثي في جامعة Dongguk الكورية، حيث تستخدم المنصة الرقيقة طبقات من القصدير والكربون للتحكم في ترسيب الليثيوم، وتقليل فقدان الليثيوم أثناء عمليات الشحن والتفريغ. يقود هذا البحث البروفيسور كيم هيونغ سو من قسم هندسة الطاقة والمواد، حيث قام الباحثون بدمج الطلاء مع احتياطي إضافي من الليثيوم لتحسين استقرار البطارية. أعلنت الجامعة عن نتائج البحث ذات الصلة في 3 نوفمبر.

مزايا التصميم بدون أنود

تقدم البطاريات الصلبة حلاً لمشكلة ترسيب الليثيوم غير المتساوي من خلال استبدال الإلكتروليت السائل بمواد صلبة، مما يوفر مزايا محتملة من حيث الأمان وكثافة الطاقة. ومع ذلك، قد يؤدي ترسيب الليثيوم غير المتساوي إلى عدم استقرار التشغيل. يساعد التصميم بدون أنود في معالجة التحديات التصنيعية، مما يسمح لليثيوم بالترسيب من الكاثود إلى جامع التيار، مما يشكل أنودًا، مما يبسط عملية التصنيع ويزيد من كثافة الطاقة الحجمية، خاصة في البطاريات الرقيقة. لكن خلال عملية الفصل، قد يصبح الليثيوم معزولًا كهربائيًا، مما يشكل "ليثيوم ميت"، أو يفقد الاتصال بالإلكتروليت الصلب. تقلل هذه العمليات من كمية الليثيوم المتاحة في الدورات اللاحقة، مما يؤثر على سعة البطارية.

درس فريق جامعة Dongguk ما إذا كان الطلاء على جامع التيار يمكن أن يساعد في التحكم في هذه العملية.

قال البروفيسور كيم: "تعمل طبقتنا الوسطى كالبذور لنواة الليثيوم، مما يعزز ترسيب الليثيوم المتساوي، ويقلل من فقدان الليثيوم، ويحسن من القابلية للعكس في عمليات الشحن والتفريغ المتكررة." قام الباحثون باختبار الطلاءات المكونة من الكربون فقط، والمعادن فقط، ومزيج من المعادن والكربون. أظهرت النتائج أن استخدام تكوين طبقة مزدوجة من القصدير والكربون على جامع التيار النحاسي كان الأفضل في جميع الاختبارات، حيث أظهر استقرارًا جيدًا في ترسيب الليثيوم والواجهة. تلعب هاتان الطبقتان أدوارًا مختلفة، حيث يقلل القصدير من حاجز الطاقة لنواة الليثيوم، مما يساعد الليثيوم على البدء في التكون عند الواجهة. بينما تعمل طبقة الكربون على تنظيم النمو اللاحق، مما يحد من الترسيب غير المتساوي ويثبت المناطق التي تتفاعل فيها القصدير والليثيوم.

كما قام فريق البحث بترسيب طبقة رقيقة من الليثيوم المعدني على جامع التيار. هذه الخطوة المسبقة لتكوين الليثيوم تخلق احتياطيًا لتعويض الليثيوم المفقود في الدورة الأولية. خلال عملية ترسيب الليثيوم الأولى، تم تشكيل منطقة ذات نسيج ثلاثي الأبعاد تحتوي على القصدير والليثيوم-القصدير. أشار الباحثون إلى أن هذه البنية يمكن أن تتكيف مع التغيرات في الحجم والشكل في الدورات اللاحقة، مما يساعد على الحفاظ على الاتصال والاستقرار.

آفاق تطبيق البطاريات فائقة النحافة

تظهر المنصة فائقة النحافة إمكانيات تخزين الطاقة. تجمع البطارية المكتملة بين كاثود أكسيد الليثيوم والفاناديوم، وإلكتروليت صلب من فوسفات الليثيوم والنيتروجين، وجامع تيار نحاسي مطلي. في الدورة رقم 100، وصلت كثافة الطاقة الحجمية إلى 235.13 Wh/L، بمعدل قياس قدره 0.01 C. كانت السماكة الإجمالية 2.77 ميكرون. قال البروفيسور كيم: "تظهر طريقتنا كيف يمكن أن تحسن هندسة الواجهة وإدارة تخزين الليثيوم من بطاريات الأفلام بدون أنود." وأضاف: "يمكن أن تدعم هذه الطريقة تطوير البطاريات فائقة النحافة للاستخدام في الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء، وأجهزة استشعار إنترنت الأشياء، والأجهزة الطبية، بالإضافة إلى تطبيقات البطاريات الصلبة بالكامل بدون أنود (ASSB) على نطاق صناعي."

تحدد هذه الدراسة طريقة لإدارة ترسيب الليثيوم وتوريد الليثيوم في هياكل البطاريات فائقة النحافة. تم نشر نتائج البحث في مجلة Advanced Energy Materials.