طور الباحثون طريقة جديدة لتحسين كفاءة بطارية أيونات الليثيوم

April 9, 2018

طور الباحثون طريقة جديدة لتحسين كفاءة بطارية أيونات الليثيوم. من خلال نمو طبقة البلورات المكعبة ، ابتكر العلماء طبقة ربط رقيقة وكثيفة بين أقطاب البطارية.

وقاد البحث البروفيسور نوبويوكي زيتسو من مركز الطاقة والعلوم البيئية في قسم كيمياء المواد في جامعة شينشو في اليابان ومدير المركز ، البروفيسور كاتسويا تيشيما.

نشر المؤلفون نتائجهم عبر الإنترنت في يناير من هذا العام في التقارير العلمية.

"نظراً إلى بعض الخصائص الذاتية للشوارد السائلة ، مثل انخفاض رقم نقل الليثيوم ، التفاعل المعقد في السطح الصلب / السائل ، وعدم الاستقرار الحراري ، لم يكن من الممكن تحقيق الطاقة العالية والطاقة في الوقت نفسه في أي من الأجهزة الكهروكيميائية الحالية ، "قال نوبويوكي زيتسو ، باعتباره المؤلف الأول على الورق.

بطاريات ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن وتعمل بالطاقة مثل أجهزة الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأدوات الكهربائية وحتى طاقة تخزين الشبكة الكهربائية. وهي حساسة بشكل خاص لتدفقات الحرارة ، وقد عُرف عنها أنها تسبب حرائق أو حتى انفجارات. استجابةً لمشاكل الإشعاعات السائلة ، يعمل العلماء على تطوير بطارية أفضل من الحالة الصلبة بدون سائل.

وقال زيتسو "على الرغم من المزايا المتوقعة من البطاريات ذات الحالة الصلبة ، يجب تحسين خصائص قوتها وكثافاتها من الطاقة للسماح بتطبيقها في تكنولوجيات مثل المركبات الكهربائية طويلة المدى". "ويعزى انخفاض معدلات القدرات والكثافة المنخفضة للطاقة في بطاريات الحالة الصلبة بالكامل جزئياً إلى الافتقار إلى تكنولوجيات تشكيل واجهة غير متجانسة مناسبة صلبة تمثل قابلية إيقونية عالية مقارنة بالنظم الإلكتروليتية السائلة."

لقد نجحت Zettsu وفريقه في تطوير بلورات أكسيد الصلب الصلبة من نوع Garnet في LOHH المنصهر المستخدم كمذيب (تدفق) على ركيزة تربط بين القطب إلى حالة صلبة أثناء نموها. سمح مركب بلوري معين معروف للنمو بشكل تكعيبي للباحثين بالتحكم في سمك ومساحة الاتصال داخل الطبقة ، والتي تعمل بمثابة فاصل سيراميكي.

وكتبت "زيتسو": "كشفت المشاهدات المجهرية الإلكترونية أن السطح مغطى بكثافة مع بلورات متعددة السطوح محددة المعالم. وكل بلورة متصلة بالبلورات المجاورة".

وقال زيتسو أيضا أن طبقة البلورة التي نمت حديثا يمكن أن تكون الفاصل الخزفي المثالي عند تكديس طبقة الإلكتروليت على طبقة الإلكترود.

"نعتقد أن نهجنا المتمثل في قوة ضد التفاعلات الجانبية في الواجهة يمكن أن يؤدي إلى إنتاج فواصل خزفية مثالية مع واجهة رقيقة وكثيفة" ، كما كتب Zettsu ، مشيرًا إلى أن السيراميك المستخدم في هذه التجربة تحديدًا كان سميكًا جدًا لاستخدامه في البطاريات الصلبة. "ومع ذلك ، طالما أن طبقة الإلكترود يمكن أن تكون رقيقة مثل 100 ميكرون ، فإن طبقة التراص ستعمل كبطارية صلبة."

مائة ميكرون هي حول عرض شعرة الإنسان ، وأقل بقليل من ضعف سماكة طبقة القطب القياسية في بطاريات الليثيوم أيون المعاصرة.

وقال زيتسو "البطاريات ذات الحالة الصلبة تعد مرشحة واعدة لأجهزة تخزين الطاقة" ، مشيرة إلى أن العديد من أوجه التعاون بين الباحثين والشركات الخاصة بدأت بالفعل مع الهدف النهائي المتمثل في عرض عينات من بطاريات الحالة الصلبة في الألعاب الأولمبية 2020 طوكيو.

تخطط شركة Zettsu وغيرهم من الباحثين لتصنيع خلايا النموذج الأولي لاستخدام السيارة الكهربائية وللأجهزة القابلة للارتداء بحلول عام 2022.

ومن بين المتعاونين الآخرين في هذا المشروع باحثون من معهد أبحاث المواد في جامعة توهوكو ، ومعهد فرونتير لبحوث علوم المواد في معهد ناغويا للتكنولوجيا ، والمعهد الوطني لعلوم المواد.

المصدر: Science Daily