ألياف جديدة تُحسّن أداء بطاريات الليثيوم المعدنية، بزيادة في السعة تصل إلى 42%

طوّر باحثون من كوريا الجنوبية غشاءً جديدًا قائمًا على السليلوز، مُدمجًا فيه معدن البيكيتا، يساعد بطاريات الليثيوم المعدنية على تحمّل دورات الشحن السريعة، مع تعزيز أداء قطب NCM90 عالي النيكل. ووجد الباحثون أن هذا الغشاء يرفع سعة البطارية عند معدلات التفريغ العالية، ويمنع بفعالية تشكّل الترسبات الشجرية على قطب الليثيوم المعدني الموجب. يحمل الغشاء، المسمّى CBT، هيكلًا مساميًا من السليلوز يجمعه معدن البيكيتا، وهو معدن من نوع الزيولايت. ويشكّل الاثنان معًا قنوات تتيح لأيونات الليثيوم التحرّك داخل البطارية بمزيد من الانتظام. ويكتسي ذلك أهمية بالغة لبطاريات الليثيوم المعدنية، إذ توفر كثافة طاقة أعلى من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، لكنها تواجه صعوبة في العمل عند معدلات تفريغ عالية.

قد يؤدي ترسّب الليثيوم غير المتجانس إلى تشكّل الترسبات الشجرية، في حين يُسهم تحلّل الإلكتروليت في تراجع الأداء وارتفاع خطر حدوث قصر في الدائرة.

تحسّن أداء غشاء CBT

وجد فريق بحثي يقوده البروفيسور سانوو يو من جامعة هانبوك الوطنية أن الغشاء المُحسَّن يعالج كذلك مشكلة على جانب القطب الموجب، إذ قد تتسبب معدلات التفريغ العالية في انخفاض حاد في السعة المتاحة. تصل التوصيلية الأيونية لغشاء CBT إلى 3.45 × 10⁻³ S cm⁻¹، فيما يبلغ عدد نقل أيونات الليثيوم 0.742. ويربط الباحثون هذه الخصائص بنقل أيوني أسرع وأكثر انتظامًا، مما يقلل من الاستقطاب في ظروف الشحن والتفريغ القاسية. عند معدل تفريغ 1C، قدّم كل من غشاء CBT وغشاء البولي إيثيلين التقليدي سعة تبلغ نحو 197 mAh g⁻¹.

غير أن الفجوة تتسع عند معدلات التفريغ الأعلى. عند معدل تفريغ 2C، قدّم غشاء CBT سعة قدرها 187 mAh g⁻¹، مقابل 165 mAh g⁻¹ للغشاء التقليدي. وعند معدل تفريغ 4C، بلغ قطب NCM90 المستخدم مع CBT سعة قدرها 163 mAh g⁻¹، في حين لم يتجاوز الغشاء التقليدي 115 mAh g⁻¹. ويمثّل ذلك تحسّنًا بنحو 42%، مما يدل على أن الغشاء لا يؤثر في استقرار القطب الموجب فحسب، بل يعزز أيضًا أداء القطب السالب.

إمكانات الغشاء المُحسَّن

وقال البروفيسور يو: «تُظهر نتائجنا أن تحسين أداء البطارية لا يعتمد فقط على مواد أقطاب جديدة، بل يمكن تحقيقه أيضًا من خلال هندسة الأغشية. ومن اللافت بشكل خاص أن تأثير الغشاء المُحسَّن يمتد إلى قطب الليثيوم المعدني الموجب، مما يُحسّن بشكل ملحوظ أداء قطب NCM90 عند معدلات التفريغ العالية.» ويساعد الغشاء كذلك في التحكم بترسّب الليثيوم. وأظهرت الملاحظات في الزمن الحقيقي عدم نمو ترسبات شجرية مرئية في البطاريات المزوّدة بـ CBT. وبدلًا من ذلك، تشكّل الليثيوم في طبقة ترسّب أكثر نعومة وكثافة، وجرت إزالته بمزيد من الانتظام أثناء عملية الفصل. وقد حافظت هذه البطاريات على نحو 60% من سعتها بعد 2500 دورة عند 2C/4C.

وفي المقابل، حافظ الغشاء على نحو 68.9% من سعته بعد 150 دورة عند -25 °C (-13°F)، وظل مستقرًا عند 200 °C (392°F).

يتفادى هذا النهج الحاجة إلى إعادة تصميم الأقطاب، ويحمل إمكانات للتوافق مع خطوط إنتاج البطاريات الحالية. غير أنه لا يزال بحاجة إلى اختباره في البطاريات التجارية من النوع الكيسي والأسطواني. وشدّد البروفيسور يو على أن: «الأغشية الوظيفية ينبغي ألا يُنظر إليها بوصفها مجرد حواجز تفصل بين قطبين، ولا بوصفها أدوات لحماية قطب الليثيوم المعدني الموجب فحسب. فمن خلال التحكم بنقل الأيونات داخل البطارية، يمكن أن تصبح عنصرًا تصميميًا محوريًا لتحقيق الجيل التالي من البطاريات التي تجمع بين كثافة الطاقة العالية وأداء التفريغ العالي.» وقد نُشرت الدراسة في مجلة «Advanced Functional Materials».