أحرز فريق بحثي من المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) تقدماً كبيراً في تطوير بطاريات الليثيوم المعدنية عديمة الأنود، وهي تقنية واعدة لتطبيقات متنوعة مثل المركبات الكهربائية والطائرات المسيرة وأنظمة تخزين الطاقة المتطورة.
على الرغم من تميز هذه البطاريات بكثافة طاقة أعلى بكثير من البطاريات التقليدية، إلا أن قصر عمرها التشغيلي كان العائق الأكبر أمام انتشارها على نطاق تجاري.
قاد فريق البحث، الذي يضم البروفيسورين جينو لي وسونغ جاب إيم من قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية في KAIST، دراسة استهدفت تعديل سطح القطب بدلاً من التركيز على تعديل تركيبة الإلكتروليت كما هو شائع. وقد أثمر هذا النهج عن تطوير بطارية ليثيوم معدنية عديمة الأنود تتميز بعمر افتراضي طويل بشكل ملحوظ.
يكمن التحدي الرئيسي في تطوير هذا النوع من البطاريات في عدم استقرار التفاعل عند نقطة التقاء الإلكتروليت والقطب. وقد تغلب الفريق على هذه المشكلة من خلال تطبيق طبقة بوليمرية مصنعة فائقة الرقة، لا تتجاوز سماكتها 15 نانومتر، مما ساهم بشكل كبير في تعزيز متانة البطارية، وفقاً للنتائج المنشورة في مجلة “Joule”.
تتميز البطاريات عديمة الأنود بتصميمها المبسط الذي يعتمد على موصل كهربائي نحاسي عند القطب السالب بدلاً من استخدام الجرافيت أو الليثيوم المعدني التقليدي، وهو ما يوفر زيادة في كثافة الطاقة تتراوح بين 30 و 50%، بالإضافة إلى تقليل تكاليف الإنتاج وتبسيط عملية التصنيع مقارنة بالبطاريات التقليدية.
من المعروف أن تراكم الليثيوم مباشرة على النحاس خلال دورة الشحن الأولى يؤدي إلى استهلاك سريع للإلكتروليت وتكوين طبقة “SEI” غير مستقرة، مما يقلل من عمر البطارية بشكل ملحوظ.
للتغلب على هذه المشكلة، قام فريق KAIST بإعادة تصميم سطح الموصل النحاسي باستخدام طريقة الترسيب الكيميائي بالبخار (iCVD) لوضع طبقة بوليمرية رقيقة ومتجانسة تتحكم في تفاعلات الإلكتروليت وتوجه حركة أيونات الليثيوم، مما يحد من التحلل غير المرغوب فيه للإلكتروليت.
أظهرت الدراسة أن الطبقة الجديدة تمنع اختلاط الإلكتروليت بالفيلم البوليمري، وتشجع بدلاً من ذلك على تحلل أنيونات الملح، لتشكيل طبقة “SEI” صلبة وغنية بالمواد غير العضوية، مما يقلل من فقدان الإلكتروليت وزيادة سماكة “SEI” بشكل غير منتظم.
أكد الباحثون، باستخدام تقنيات مثل “التحليل الطيفي رامن أثناء التشغيل” والمحاكاة الديناميكية الجزيئية، أن الطلاء يخلق منطقة غنية بالأنيونات بالقرب من القطب، مما يعزز تكوين “SEI” قوي ومستقر.
وأشار البروفيسور جينو لي إلى أن هذه الدراسة لا تقتصر على تطوير مواد جديدة فحسب، بل تقدم أيضاً مبدأ تصميم يوضح كيفية التحكم في تفاعلات الإلكتروليت وتحقيق استقرار الواجهة من خلال هندسة سطح القطب، مما يسرع من إمكانية تسويق بطاريات الليثيوم المعدنية عديمة الأنود للاستخدام في الأسواق المستقبلية للسيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة.
