مهندسون يحلون لغز الليثيوم أيون الذي يعود تاريخه إلى عقود من الزمن

 إكتشف باحثون من جامعة تكساس في دالاس سبب تدهور بطاريات أكسيد نيكل الليثيوم (LiNiO₂) ويقومون بإختبار حل لتحسين إستقرارها من أجل تسويقها . يتضمن نهجهم تعزيز هيكل الكاثود، ويخططون لزيادة إنتاج البطاريات من خلال التصنيع الآلي .

حدد الباحثون في جامعة تكساس في دالاس سبب تدهور بطارية LiNiO₂ وطوروا طريقة تعزيز هيكلية يمكن أن تتيح إستخدامها تجاريآ في بطاريات ليثيوم أيون طويلة الأمد.

يعد أكسيد نيكل الليثيوم (LiNiO₂) مادة واعدة للجيل القادم من بطاريات الليثيوم أيون ذات العمر الافتراضي الأطول. ومع ذلك، فقد تم إعاقة تسويقه بسبب التدهور بعد دورات الشحن المتكررة.

وقد حدد الباحثون في جامعة تكساس سبب هذا العطل ويختبرون حلآ يمكن أن يتغلب على عقبة كبيرة أمام استخدامه على نطاق واسع. وقد تم نشر النتائج التي توصلوا إليها مؤخرا في مجلة مواد الطاقة المتقدمة.

ويهدف الفريق إلى إنتاج بطاريات LiNiO₂ أولآ في المختبر ثم التعاون في النهاية مع شريك صناعي لجلب التكنولوجيا إلى السوق.

قال الدكتور كيونغجاي تشو، أستاذ علوم وهندسة المواد في كلية إريك جونسون للهندسة وعلوم الكمبيوتر ومدير برنامج البطاريات والطاقة لتعزيز التسويق التجاري والأمن القومي (BEACONS): "لقد كان تدهور البطاريات المصنوعة باستخدام LiNiO2 يمثل مشكلة لعقود من الزمن، لكن السبب لم يكن مفهومآ جيدآ". "والآن بعد أن أصبح لدينا فهم واضح لسبب حدوث ذلك، فإننا نعمل على حل حتى يمكن إستخدام التكنولوجيا لتوفير عمر أطول للبطارية في مجموعة من المنتجات بما في ذلك الهواتف والسيارات الكهربائية.

البحث هو مشروع لمبادرة BEACONS التابعة لجامعة UTD، والتي تم إطلاقها في عام 2023 بمبلغ 30 مليون دولار من وزارة الدفاع. تتمثل مهمة BEACONS في تطوير وتسويق تكنولوجيا البطاريات الجديدة وعمليات التصنيع؛ وتعزيز التوافر المحلي للمواد الخام الحيوية؛ وتدريب عمال ذوي كفاءة عالية على وظائف في القوى العاملة المتوسعة في مجال تخزين طاقة البطاريات.

التحليل الحسابي لانهيار البطارية

لتحديد سبب تعطل بطاريات LiNiO2 أثناء المرحلة الأخيرة من الشحن، قام باحثون من جامعة تكساس في دالاس بتحليل العملية بإستخدام النمذجة الحاسوبية. تضمنت الدراسة فهم التفاعلات الكيميائية وإعادة توزيع الإلكترونات عبر المواد على المستوى الذري.

في بطاريات الليثيوم أيون، يتدفق التيار الكهربائي من موصل يسمى الكاثود، وهو قطب موجب، إلى القطب الموجب، وهو قطب سالب. يتكون الأنود عادةً من جرافيت الكربون، الذي يحمل الليثيوم بقدرة أعلى.

أثناء التفريغ، تعود أيونات الليثيوم إلى الكاثود من خلال المنحل بالكهرباء وترسل الإلكترونات مرة أخرى إلى الكاثود المحتوي على الليثيوم، كتفاعل كهروكيميائي يولد الكهرباء. تُصنع الكاثودات عادة من خليط من المواد التي تتضمن الكوبالت، وهي مادة نادرة يهدف العلماء إلى استبدالها ببدائل، بما في ذلك أكسيد نيكل الليثيوم.

وجد باحثو UTD أن التفاعل الكيميائي الذي يتضمن ذرات الأكسجين في LiNiO2 يتسبب في أن تصبح المادة غير مستقرة وتتشقق. ولحل هذه المشكلة، طوروا حلآ نظريآ يعزز المادة عن طريق إضافة أيون موجب الشحنة، أو كاتيون، لتغيير خصائص المادة، وإنشاء "أعمدة" لتقوية الكاثود.

قام ماثيو بيرجشنايدر، وهو طالب دكتوراه في علوم وهندسة المواد والمؤلف الأول للدراسة، بإنشاء مختبر قائم على الروبوتات لتصنيع نماذج أولية للبطاريات لاستكشاف عمليات التوليف عالية الإنتاجية لكاثودات LiNiO2 ذات الأعمدة المصممة. ستساعد الميزات الآلية في تركيب المواد وتقييمها وتوصيفها.

و قال بيرجشنايدر، زميل الدراسات العليا في يوجين ماكديرموت: "سنصنع كمية صغيرة في البداية ونقوم بتحسين العملية". "بعد ذلك، سنقوم بتوسيع نطاق تصنيع المواد وتصنيع مئات البطاريات أسبوعيآ في منشأة بيكونز. هذه كلها نقاط انطلاق للتسويق."

المرجع :: "مكافحة التحلل الميكانيكي بواسطة الأكسدة الأنيونية في LiNiO2 عن طريق الأعمدة" بقلم ماثيو بيرجشنايدر، وفانتاي كونج، وباتريك كونلين، وتايسون هوانج، وسيوك جوانج دو، وكيونججاي تشو، 10 ديسمبر 2024، مواد الطاقة المتقدمة.