إضافات إلكتروليتية جديدة ترفع من عمر بطاريات الليثيوم-أيون إلى 95.6% من سعتها الأصلية

ساعدت إضافة إلكتروليتية جديدة على احتفاظ الأنودات الجرافيتية بسعة تصل إلى 95.6% بعد 1,000 دورة شحن، مما يظهر إمكانية إطالة عمر بطاريات الليثيوم-أيون دون تغيير الجرافيت نفسه. قام باحثون من جامعة العلوم المتقدمة والتكنولوجيا في اليابان (JAIST) بتصميم مركب يُعرف باسم إيمين ثيوفين البنتافلوروفينيل (pentafluorophenyl thiophene imine، أو FPTI اختصارًا)، لتحسين الطبقة الواقية التي تتشكل على الجرافيت خلال الدورات القليلة الأولى من الشحن.

تُعرف هذه الطبقة بالواجهة البينية الصلبة الكهربائية (SEI)، وهي ضرورية لعمر البطارية. فهي تسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بين الإلكتروليت والإلكترود مع الحد من التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها. عندما تصبح SEI غير مستقرة، قد تستهلك الليثيوم النشط وتزيد المقاومة، مما يؤدي إلى تسريع فقدان السعة. أضاف الباحثون FPTI إلى إلكتروليت بطارية الليثيوم-أيون التقليدية بتركيز 2 ملغ و4 ملغ لكل مليلتر. وجدوا أن هذه الإضافة تتفاعل بشكل تفضيلي في الدورات المبكرة وتساعد في تكوين SEI أكثر توصيلًا واستقرارًا على سطح الجرافيت.

عند التركيزات الأعلى، انخفضت مقاومة SEI من 7.6 أوم في مجموعة المقارنة إلى 2.2 أوم. كما انخفضت مقاومة نقل الشحنة من 41.8 أوم إلى 19.8 أوم، وزادت حركة أيونات الليثيوم. وجد الباحثون أن الأجزاء المختلفة من جزيء FPTI تساهم في تكوين الطبقة الواقية. تم دمج مركبات الكبريت والإيمين في الواجهة، بينما ساعدت مكوناتها الفلورية في تكوين طبقة غنية بالفلوريد الليثيوم. أوضح البروفيسور ماتسوي: "يبدو أن هذه المكونات تعمل معًا لتقليل التفاعلات الطفيلية ودعم حركة أيونات الليثيوم بسلاسة عبر واجهة القطب-الإلكتروليت."

تأثير FPTI على أداء البطارية

أصبح تأثير التحسين أكثر وضوحًا أثناء الدورات الطويلة. احتفظت بطارية الجرافيت التي تحتوي على 2 ملغ لكل مليلتر من FPTI بنسبة 89.4% من سعتها القصوى بعد 1,000 دورة، بينما احتفظت البطارية التي تحتوي على 4 ملغ لكل مليلتر بنسبة 95.6%. في المقابل، احتفظت مجموعة المقارنة بدون إضافات بنسبة 62.7% فقط من السعة وبدأت في إظهار فقدان سعة كبير بعد حوالي 350 دورة.

اختبر الفريق بعد ذلك ما إذا كان من الممكن تطبيق هذه الطريقة على بطاريات كاملة باستخدام كاثود NMC811 وأنود جرافيتي. كشفت هذه الاختبارات عن قيود مهمة: عند وضع FPTI مباشرة في إلكتروليت البطارية الكاملة، زادت مقاومة الكاثود وأضرت بالأداء. لذلك، استخدم الباحثون FPTI فقط في معالجة الأنود الجرافيتي مسبقًا. قاموا بتكوين SEI محسنة أثناء الدورة المسبقة، ثم قاموا بتجميع البطارية الكاملة باستخدام إلكتروليت قياسي. حسنت هذه المعالجة الكيميائية المستهدفة بشكل كبير من كثافة طاقة البطارية الكاملة. وصلت البطارية الكاملة التي تحتوي على جرافيت معالج مسبقًا بـ 4 ملغ لكل مليلتر من FPTI إلى حوالي 233 واط/كغم، بينما بلغت البطارية التي تحتوي على 2 ملغ لكل مليلتر حوالي 192 واط/كغم، في حين أن مجموعة المقارنة بلغت حوالي 130 واط/كغم فقط.

عملية المعالجة المستهدفة

يبرز هذا النتيجة لماذا لا يمكن تقييم إضافات البطارية بناءً على تأثيرها على قطب واحد فقط. قد يتسبب مركب يحسن واجهة الجرافيت-الإلكتروليت في حدوث مشكلات في الكاثود، وبالتالي قد تكون المعالجة المستهدفة أكثر عملية من إضافة هذا المركب إلى البطارية بأكملها.

قال البروفيسور ماتسوي: "بشكل عام، فإن إدخال FPTI حسّن بشكل كبير من الأداء الكهروكيميائي لبطارية الجرافيت النصفية." وأشار الباحثون إلى أن هناك حاجة إلى مزيد من الاختبارات على بطاريات ذات أحجام تجارية أكبر وفي ظروف تشغيل أوسع لتحديد ما إذا كان يمكن تحويل هذه الاستراتيجية إلى بطاريات عملية. ومع ذلك، تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن للتحكم على المستوى الجزيئي في سطح الجرافيت أن يطيل عمر البطارية دون استبدال مادة الأنود المستخدمة على نطاق واسع. نُشرت الدراسة في مجلة "Energy & Fuels".

كيفية تحسين عمر البطارية دون تغيير المواد

توضح هذه الدراسة أنه من خلال تحسين الواجهة البينية الصلبة الكهربائية (SEI) للأنود الجرافيتي، يمكن إطالة عمر بطاريات الليثيوم-أيون بشكل فعال دون الحاجة إلى استبدال مواد الأنود الحالية. إن إدخال إضافة FPTI لم يحسن فقط من احتفاظ البطارية بسعتها، بل حسّن أيضًا من أدائها الكهروكيميائي. يشير هذا إلى أن المعالجة الكيميائية المستهدفة يمكن أن تتغلب على بعض القيود في تصميمات البطاريات التقليدية، مما يوفر أفكارًا جديدة لتطوير بطاريات الليثيوم-أيون في المستقبل، خاصة في سياق السعي لتحقيق كثافة طاقة أعلى وعمر أطول.