تقوم مجموعة أبحاث Empa بقيادة ماكسيم كوفالينكو بالبحث عن مواد مبتكرة لبطاريات المستقبل. سواء كان الأمر يتعلق بالسيارات الكهربائية سريعة الشحن أو التخزين الثابت منخفض التكلفة. هناك مادة واعدة أو عملية تصنيع جديدة لكل تطبيق.
سمات البطارية الجيدة
ما السمات المميزة للبطارية الجيدة؟ هل هي قدرتها؟ مدى سرعة الشحن؟ أو سعره؟ تعتمد الإجابة على مكان استخدام البطارية.
كما يقول كوستيانتين كرافشيك، الباحث في إمبا. في مجموعة المواد غير العضوية الوظيفية. بقيادة ماكسيم كوفالينكو وجزء من مختبر إمبا للأغشية الرقيقة والخلايا الكهروضوئية. يقوم العالم بتطوير مواد جديدة لجعل بطاريات الغد أكثر قوة وأسرع وأكثر فعالية من حيث التكلفة.
هناك مجالان لتطبيق البطاريات القابلة لإعادة الشحن لهما أهمية حاسمة للانتقال إلى الطاقة المتجددة. الأول هو التنقل الكهربائي.
والآخر يسمى التخزين الثابت. والذي يقوم بتخزين الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة مثل الرياح والشمس. يجب أن تكون بطاريات السيارات الكهربائية مدمجة وخفيفة الوزن وذات سعة عالية ويمكن شحنها في أسرع وقت ممكن. كما قد تشغل البطاريات الثابتة مساحة أكبر، ولكنها تكون فعالة من حيث التكلفة فقط إذا كانت رخيصة قدر الإمكان.
ليست مهمة بسيطة
في جوهرها، تتكون كل بطارية من الكاثود والأنود والكهارل. في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، يتكون الأنود من الجرافيت، وتكون مادة الكاثود وهي عبارة عن أكسيد مختلط من الليثيوم ومعادن أخرى، مثل أكسيد الليثيوم كوبالت (III).
تستخدم الإلكتروليتات كأجهزة إرسال لأيونات الليثيوم من الكاثود إلى القطب الموجب والعودة. اعتمادًا على ما إذا كانت الخلية مشحونة أو مفرغة.
عندما يتعلق الأمر ببطاريات التنقل الكهربائي. يلزم وجود كثافة طاقة عالية. يقول كرافشيك: “باستخدام أنود مصنوع من الليثيوم المعدني النقي بدلاً من الجرافيت، يمكننا تخزين طاقة أكبر بعدة مرات في خلية بنفس الحجم”.
ومع ذلك، لا يتم تجريد الليثيوم وترسيبه بالتساوي عند شحن الخلية وتفريغها. يؤدي هذا إلى تكوين ما يسمى التشعبات: هياكل متفرعة من الليثيوم المعدني التي يمكن أن تؤدي إلى قصر دائرة البطارية.
إحدى الطرق لإبطاء نمو التشعبات هي استخدام الشوارد الصلبة. في ما يسمى ببطاريات الحالة الصلبة، بدلًا من السائل، توجد طبقة صلبة من المواد تقوم بتوصيل أيونات الليثيوم من الكاثود إلى القطب الموجب والعودة.
مادة واحدة من طبقتين
كجزء من برنامج تمويل Fraunhofer ICON (التعاون الدولي والشبكات)، قام كرافشيك وغيره من الباحثين في إمبا الآن بتحسين إلكتروليت صلب واعد. تتمتع المادة، أكسيد الزركونيوم الليثيوم اللانثانوم، أو LLZO باختصار، بموصلية أيونية عالية وثبات كيميائي – وهي خصائص مثالية للاستخدام في البطاريات.
يقول كرافشيك: “لقد صنعنا غشاء LLZO ثنائي الطبقة يتكون من طبقة كثيفة ومسامية”. إذا تم تخزين الليثيوم في المسام، يتم إنشاء منطقة اتصال كبيرة جدًا بين الليثيوم والكهارل، وتبقى كثافة التيار منخفضة. تضمن الطبقة الكثيفة عدم نمو أي تشعبات إلى القطب الآخر وتسبب ماس كهربائي. لقد فكر الباحثون أيضًا في فعالية التكلفة: فقد طوروا عملية بسيطة وغير مكلفة وقابلة للتطوير لإنتاج الأغشية ثنائية الطبقة.
الحديد الرخيص بدلاً من الكوبالت
اتخذ الباحثون نهجًا مختلفًا تمامًا في مشروع يتضمن التخزين الثابت للطاقة المتجددة. يوضح كرافشيك: “إن المقياس الأكثر أهمية للتخزين الثابت هو السعر”. وتعتبر بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة للتخزين الثابت اليوم باهظة الثمن نسبيًا. ويواصل الباحث قائلاً: “لهذا السبب لا تزال تكنولوجيا تخزين المضخات للطاقة الكهرومائية تلبي معظم احتياجات التخزين الثابتة. على الرغم من أنها تتمتع بكثافة طاقة منخفضة جدًا مقارنة بالبطاريات”.
واحدة من أكبر العوامل الدافعة لتكلفة بطاريات الليثيوم أيون الثابتة هي المواد المستخدمة في تصنيعها. بالإضافة إلى الليثيوم، هناك حاجة إلى الكوبالت والنيكل للكاثود. أدى البحث عن مواد أفضل للكاثود سريعًا إلى دفع الباحثين إلى أحد العناصر الأكثر شيوعًا في القشرة الأرضية: الحديد.
دمج المعدن غير المكلف مع الفلورايد
بالنسبة للكاثود، قام الباحثون بدمج المعدن غير المكلف مع الفلورايد على شكل هيدروكسي فلوريد الحديد (III). يوضح كرافشيك: “كانت الأساليب السابقة لصنع بطارية تعتمد على فلوريد الحديد تعتمد على التحويل الكيميائي”. يتضمن ذلك تحويل أيونات الحديد إلى حديد معدني. يقول الباحث: “هذه العملية ليست مستقرة للغاية”. “من الناحية المثالية، تتحرك الأيونات ببساطة من قطب إلى آخر دون الخضوع لتحولات هيكلية كبيرة”.
يمثل هذا تحديًا للباحثين، نظرًا لأن الفلوريدات ذات موصلية ضعيفة، سواء بالنسبة للإلكترونات أو أيونات الليثيوم. لكن فريق كرافشيك لديه الحل: باستخدام عملية بسيطة وغير مكلفة، أعطوا هيدروكسي فلوريد الحديد (III) بنية بلورية معينة. يحتوي هذا الهيكل المسمى بالبيروكلور على قنوات بداخله تقوم بتوصيل أيونات الليثيوم.
يقول كرافشيك: “لقد تمكنا من تحقيق أداء مماثل بسعر أقل بكثير باستخدام بطاريتنا”. “نحن مندهشون تمامًا لأنه لم يقم أي شخص تقريبًا باستكشاف كيفية تطوير تركيب منخفض التكلفة لهذه المادة الواعدة حتى الآن”.
اقرأ أيضا:
باحثون يصممون بكتيريا تحول البلاستيك إلى مادة خام قيمة