بطاريات ليثيوم أيون تحطم الرقم القياسي لكثافة الطاقة

نجح الباحثون في صنع بطاريات الليثيوم من نوع الأكياس القابلة لإعادة الشحن بكثافة طاقة قياسية تزيد عن 700 واط / كجم. يتألف التصميم الجديد من كاثود عالي السعة قائم على المنغنيز وغني بالليثيوم وأنود رقيق من معدن الليثيوم بطاقة عالية النوعية. إذا تم تطويره بشكل أكبر ، يمكن للجهاز أن يجد فائدة في تطبيقات مثل الطيران الكهربائي ، والذي يتطلب بطاريات ذات كثافة طاقة أعلى بكثير من تلك المتوفرة اليوم.

تعد بطاريات الليثيوم أيون تقنية أساسية للمساعدة في الوصول إلى أهداف الحياد المناخي. يتم استخدامها بشكل متزايد لتشغيل السيارات الكهربائية وكمكونات رئيسية للأجهزة المنزلية التي تخزن الطاقة المتولدة من المصادر المتجددة. لقد تطورت التكنولوجيا أيضًا بشكل كبير: منذ أن تم تسويقها لأول مرة بواسطة Sony في عام 1991 ، زادت كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون من 80 واط / كجم إلى حوالي 300 واط / كجم.

ومع ذلك ، فإن تحقيق اقتصاد خالٍ من الكربون حقًا يتطلب بطاريات ذات أداء أفضل مما يمكن أن توفره تقنية أيونات الليثيوم الحالية. في السيارات الكهربائية ، على سبيل المثال ، من الاعتبارات الرئيسية أن تكون البطاريات صغيرة وخفيفة الوزن قدر الإمكان. يتطلب تحقيق هذا الهدف كثافات طاقة أعلى من 400 واط / كجم. تكمن المشكلة في أن بطاريات الليثيوم أيون الحالية تحتوي بشكل أساسي على كاثودات من نوع الإقحام (على سبيل المثال ، LiFePO₄، LiCoO₂ أو LiNi_xMn_yCo_zO₂, x+y+z= 1) والأنودات القائمة على الجرافيت ، وتقترب كثافة الطاقة لهذه الأقطاب الكهربائية من الحد الأعلى لها.

الجهد العالي للشحن والتفريغ

في العمل الجديد ، بقيادة الباحثين شيتشيان يو و هونغ لي من معهد الفيزياء ، الأكاديمية الصينية للعلوم في بكين ، قامت بتصنيع بطاريات ليثيوم قابلة لإعادة الشحن من نوع الحقيبة العملية باستخدام سعة تفريغ عالية للغاية Li_1.2Ni_0.13Co_0.13Mn_0.54O₂ كاثود بسعة مساحية تتجاوز 10 مللي أمبير / سم² وأنود معدن الليثيوم. يسمح الجهد العالي لتفريغ الشحن لأكاسيد المنغنيز الغنية بالليثيوم بسعة تخزين أعلى لليثيوم أيون.

يوضح المؤلف الأول كوان لي: "يستخدم القطب الموجب الليثيوم المعدني الرقيق جدًا والمدمج باستخدام تقنية الطلاء الفاصل ، والتي تعالج المشكلة المزعجة المتمثلة في الترسيب القابل للانعكاس لليثيوم الرقيق ذي السعة الكبيرة على السطح".

تتميز الأجهزة بكثافة طاقة جاذبية تبلغ 711.3 واط / كجم وكثافة طاقة حجمية تبلغ 1653.65 واط / لتر ، وكلاهما يعد الأعلى في بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن استنادًا إلى الكاثود من نوع الإقحام ، كما يقول لي عالم الفيزياء.

ويضيف قائلاً: "فيما يتعلق بتصنيع البطاريات ، تم تصميم تصميم هيكل البطارية المتطرف (بما في ذلك استخدام مجمعات التيار الرقيقة جدًا) لتقليل استخدام المواد المساعدة مع تحسين نسبة المواد النشطة في البطارية بأكملها." "هذا النهج التآزري هو ما مكّن كثافة الطاقة الفائقة للبطاريات."

يمكن أن تستفيد المركبات الكهربائية بعيدة المدى والطيران الكهربائي

يمكن للأجهزة الجديدة أن تفيد السيارات الكهربائية بعيدة المدى والطيران الكهربائي ، وكلاهما يفرض متطلبات عالية متزايدة على كثافة طاقة البطارية. يقول لي إن البحث يمكن أن يساعد أيضًا في معالجة بعض المشكلات المتأصلة المرتبطة بتكنولوجيا البطاريات.

"على سبيل المثال ، يقدم نظرة ثاقبة حول كيفية تحقيق التوازن بين السلامة والعوامل المهمة الأخرى في البطاريات عالية الكثافة للطاقة ، والتي ستساعد في التنفيذ العملي للبطاريات عالية الكثافة للطاقة في المستقبل. ستساعد الأبحاث حول البطاريات ذات كثافة الطاقة التي تقترب من الحدود النظرية أيضًا في تحسين معرفتنا بأيونات الحالة الصلبة والكيمياء الكهربية للحالة الصلبة ، مما يسمح ربما بالابتكار التكنولوجي في المواد الجديدة وأنظمة البطاريات. "

يتم إعادة شحن بطاريات الليثيوم أيون في البرد

الباحثون الذين أبلغوا عن عملهم في رسائل الفيزياء الصينية، اشرح أن هناك مفاضلة دائمًا بين كثافة الطاقة وأداء الدورة وقدرة المعدل وسلامة بطاريات الليثيوم أيون. السلامة هي مطلب أساسي ، لكن كثافة الطاقة المرتفعة ستزيد من المخاطر أثناء تشغيل البطارية ، كما يقولون. يقول لي: "يجب تحسين كثافة الطاقة تدريجيًا مع ضمان السلامة". "يتمثل هدفنا في تعزيز أداء سلامة البطارية من خلال تقنية بطاريات الحالة الصلبة ، مما يجعل البطاريات عالية الكثافة أكثر عملية."

ويضيف أن أداء دورة البطاريات عالية الطاقة لا يزال متخلفًا عن أداء البطاريات التجارية حاليًا. "يجب النظر في هذه المعلمة بشكل شامل لتلبية متطلبات مجالات معينة. لذلك سوف يستغرق الأمر وقتًا طويلاً لتطبيق البطاريات فائقة الكثافة للطاقة عمليًا. سيكون التصدي للتحديات التي تعيق استخدامها العملي هو الاتجاه المستمر لمساعينا البحثية المستقبلية ".

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/lithium-ion-batteries-break-energy-density-record/