معهد سيول للتكنولوجيا يطور استراتيجية جديدة لشحن البطاريات بسرعة فائقة لمنع ترسب الليثيوم الضار

أدى التطور السريع للسيارات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية عالية الطاقة إلى زيادة الطلب على بطاريات الليثيوم أيون فائقة السرعة. ومع ذلك، تعاني بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن الحالية من انخفاض حاد في الطاقة أثناء عمليات الشحن السريع، وقد يؤدي ذلك إلى أعطال كارثية، مما يزيد من مخاطر السلامة. ويعود ذلك أساسًا إلى عدم الاستقرار الكهروكيميائي عند سطح التماس بين المصعد والإلكتروليت، مما يؤدي إلى ترسب الليثيوم المعدني الضار على سطح البطارية وضعف استقرارها الحراري.
في السنوات الأخيرة، أصبحت مواد الأنود عالية الجهد بدائل واعدة للغاية للحد من الترسيب المفرط لليثيوم وتكوين طبقات التفاعل البيني غير المستقرة بين الإلكتروليت الصلب والقطب (SEI). على الرغم من هذه المزايا، لا تزال المواد الحديثة محدودة بسبب ضعف التوصيل الأيوني والاستقرار الحراري، مما يُضعف القدرة الناتجة والموثوقية على المدى الطويل.

بحسب تقارير إعلامية أجنبية، ولحل هذه المشكلات، طوّر فريق بحثي بقيادة الأستاذ المشارك دونغ ووك هان في جامعة سيول الوطنية للعلوم والتكنولوجيا مادة أنود من فوسفات الليثيوم والتيتانيوم غير المتكافئة (OS) ذات بنية من نوع NASICON. وتشتهر هذه المادة بثباتها البنيوي والحراري الاستثنائي. ويُمكن لهذا التصميم أن يُحفّز تحولًا طوريًا تلقائيًا تحت سطح جزيئات المادة الفعّالة، ما يُتيح تجاوز القيود الحركية وتحقيق أداء شحن سريع ومستقر.
وقد نُشرت نتائج الأبحاث ذات الصلة في مجلة المواد الوظيفية المتقدمة.

تعديل السطح لتسريع نقل الأيونات

يتميز فوسفات الليثيوم والتيتانيوم (LTP) ببنية من نوع موصل أيوني فائق الصوديوم (NASICON)، مما يمنحه استقرارًا بنيويًا وحراريًا فائقًا، بالإضافة إلى قنوات انتشار سريعة لأيونات الليثيوم. وللاستفادة القصوى من إمكاناته، اعتمد الباحثون استراتيجية تصميم غير متكافئة، حيث زادوا عمدًا نسبة الفوسفور (P) إلى التيتانيوم (Ti). ويؤدي هذا التركيب الفقير بالتيتانيوم إلى تكوين نطاقات من فوسفات التيتانيوم (TPO) بالقرب من سطح جزيئات LTP.
تعمل هذه المناطق الغنية بـ TPO كقنوات حركية عالية الكفاءة، مما يقلل حاجز الطاقة لانتقال أيونات الليثيوم عبر سطح التماس بين المصعد والإلكتروليت، ويُنشئ مسارات سريعة لنقل الأيونات بالقرب من أسطح الجسيمات. علاوة على ذلك، توفر روابط P-O-P المرنة للغاية ضمن إطار TPO مرونة هيكلية للتكيف مع تغير الحجم أثناء دورات الشحن السريع، وتحمي بنية NASICON من التلف غير القابل للإصلاح.

أداء قوي في ظروف الشحن السريع

وبناءً على ذلك، في اختبارات معدل القدرة، وهو المؤشر الحيوي الذي يقيم قدرة الشحن السريع، احتفظت الأنود المركبة OS-LTP-carbon (OS-LTP/C) بنسبة ملحوظة بلغت 86٪ من سعتها الأولية تحت معدل الشحن 10C، بينما انخفضت سعة الأنود المركبة LTP/C الأصلية بشكل كبير.
تتميز هذه المادة أيضاً بثبات ممتاز في دورات الشحن والتفريغ بعد أكثر من 250 دورة. وتُظهر تكوينات الخلايا الكاملة أداءً عالياً مماثلاً في معدل الشحن والتفريغ، وتوافقاً واسع النطاق مع الكاثودات عالية الجهد.

مسار أوسع نحو بطاريات أكثر أماناً

أشار هان إلى أن "طريقتنا تُرسّخ نموذجاً جديداً كلياً لتصميم بطاريات الشحن السريع، ويمكن تطبيقها على نطاق واسع في العديد من أنظمة تخزين الطاقة المستقبلية، بما في ذلك بطاريات الحالة الصلبة بالكامل". وأضاف: "يمكن لاستراتيجية التصميم هذه أن تجعل المركبات الكهربائية أكثر عملية من خلال تقليل وقت الشحن، وتحسين السلامة، ودعم شبكات الطاقة المتجددة".
في الختام، تعالج استراتيجية التصميم غير المتكافئة هذه إحدى العقبات الأساسية التي تواجه البطاريات القابلة لإعادة الشحن، وتقدم نهجًا واعدًا لتكنولوجيا تخزين الطاقة فائقة السرعة الجاهزة للاستخدام التجاري.