تظهر الأبحاث التي أجرتها مجموعة Vilas Pol Energy Research (ViPER) التابعة لجامعة بوردو واعدة لتطوير بطاريات الليثيوم المعدنية القابلة لإعادة الشحن عالية الكثافة ومعالجة عدم استقرار الأكسدة الكهروكيميائية للإلكتروليتات القائمة على الإيثر.
نُشر البحث في عدد 10 فبراير من مجلة Nature Communications . كان زينج لي ، مساعد أبحاث الدراسات العليا في كلية ديفيدسون للهندسة الكيميائية ، المؤلف الرئيسي.
تركز مجموعة ViPER على تصميم وتصنيع مواد عالية السعة للجيل القادم من أنظمة بطاريات ليثيوم أيون وليثيوم كبريت وأيون الصوديوم وحالة صلبة ودرجة حرارة منخفضة للغاية.
"النمو السريع لتقنيات تخزين الطاقة التي تهدف إلى الحد من أهداف انبعاثات الكربون المقترحة ، كما توجد مطالب ضخمة لأنظمة تخزين الطاقة في أسواق السيارات الإلكترونية والكهربائية الاستهلاكية. وهي تتطلب الجيل التالي من بطاريات Li ذات كثافة طاقة أعلى مع تعزيز السلامة ، يقول فيلاس بول ، أستاذ الهندسة الكيميائية الذي قاد مختبرات بوردو الرئيسية لتصنيع البطاريات ، واختبارات السلامة الكهروكيميائية والحرارية منذ عام 2014.
يعد استبدال مادة أنود الجرافيت التقليدية بمعدن الليثيوم عالي الطاقة نهجًا واعدًا للغاية. ومع ذلك ، فإن مادة أنود "الكأس المقدسة" هذه تعاني من عيوب صعبة تتمثل في انخفاض قابلية التدوير والسلامة ، وما إلى ذلك.
قال بول: "من منظور البحث الأساسي حول تقنيات LMB الجديدة ، من الأهمية بمكان أن نطور بدقة كيمياء إلكتروليت سائلة مناسبة تعمل مع أنودات وكاثودات واعدة".
أظهر الباحثون في دراستهم أن الإلكتروليت منخفض التركيز القائم على الإيثر يمكن أن يتحمل بنجاح التشغيل طويل المدى للجهد العالي (4.3 فولت) لل LMB العملي في ظل تكوينات قابلة للحياة في الصناعة ، عند استخدام ثنائي بروبيل الإيثر غير القطبي كمذيب بالكهرباء.
قال لي: "إن تحقيق الدوران طويل المدى لأنود Li المعدني وكاثود الجهد العالي في وقت واحد مع إلكتروليت قائم على الأثير المخفف هو التحدي الرئيسي في هذه الدراسة". "تتمتع الإيثرات باستقرار أكسدة ضعيف على الرغم من توافقها المعقول مع أنود معدن Li. وبالتالي كان هدفنا هو توسيع قدراتها عالية الجهد. من المستوى الجزيئي ، أكدنا الارتباطات الأساسية بين سلوكيات الإذابة للإلكتروليتات المخففة القائمة على الأثير و أدائهم على القطب الموجب عالي الجهد . "
تم تفسير الارتباطات بشكل أكبر من خلال عمليات محاكاة الديناميات الجزيئية الكلاسيكية المفصلة وحسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) إلى جانب التحليلات التجريبية متعددة الوسائط. لقد تم إثبات أن تنظيم بنية الإذابة للإلكتروليتات القائمة على الأثير يمكن أن يعيد ترتيب ترتيب التحلل لأنواع الذوبان ويشكل انتقائيًا حماية قوية على سطح الكاثود. يقوم أيضًا بتعديل تكوين الطبقة المزدوجة الكهربائية السطحية لمنع أكسدة الأثير.
يختلف نهج الكبت الحركي الفريد هذا عن الاستراتيجيات التقليدية مثل استخدام إلكتروليت عالي التركيز أو إدخال فلورة جزيئية لتحسين استقرار الإلكتروليت ، مما يزيد بشكل كبير من تكلفة البطارية. من المتوقع أن تحسن LMB التي طورتها مجموعة ViPER 40٪ من كثافة الطاقة ، مقارنة ببطاريات Li-ion التقليدية.