يعتقد الباحثون في مختبر المسرع الوطني SLAC التابع لوزارة الطاقة وجامعة ستانفورد، أنهم اكتشفوا وسيلة لإحياء بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن، والتي قد تزيد من نطاق السيارات الكهربائية وعمر البطارية في الأجهزة الإلكترونية من الجيل التالي.
أثناء دوران بطاريات الليثيوم، تتشكل جزر صغيرة من الليثيوم غير النشط بين الأقطاب الكهربائية، مما يقلل من قدرة البطارية على الاحتفاظ بالشحن. ومع ذلك، وجد الباحثون أنه يمكنهم جعل هذا الليثيوم "الميت" يزحف مثل الدودة نحو أحد الأقطاب الكهربائية حتى يعيد الاتصال، وبالتالي يعكس جزئياً العملية غير المرغوب فيها. واكتشفوا من خلال التجارب العديدة أن جزر الليثيوم غير النشط تزحف مثل الديدان لتعيد الاتصال بأقطابها، لاستعادة قدرة البطارية وعمرها.
أدى القيام بهذه الخطوة الإضافية إلى إبطاء تدهور بطارية الاختبار وزيادة عمرها بنحو 30%.
قال فانغ ليو، زميل ما بعد الدكتوراه في ستانفورد والمؤلف الرئيسي لدراسة نشرت في مجلة Nature: نحن نستكشف الآن إمكانية استعادة السعة المفقودة في بطاريات الليثيوم الأيونية باستخدام خطوة تفريغ سريعة للغاية.
يُظهر رسم متحرك كيف يتسبب شحن خلية اختبار بطارية الليثيوم وتفريغها في أن تتسلل جزيرة من معدن الليثيوم "الميت" أو المنفصل عن بعضه البعض ذهاباً وإياباً بين الأقطاب الكهربائية. حركة أيونات الليثيوم ذهاباً وإياباً عبر الإلكتروليت تخلق مناطق من الشحنات السالبة (الزرقاء) والإيجابية (الحمراء) في نهايات الجزيرة، والتي تتبادل الأماكن مع شحن البطارية وتفريغها. يتراكم معدن الليثيوم عند الطرف السالب للجزيرة ويذوب عند الطرف الموجب؛ يتسبب هذا النمو المستمر والتفكك في حركة الأيونات ذهاباً وإياباً. اكتشف باحثو مختبر المسرع الوطني SLAC وجامعة ستانفورد أن إضافة خطوة تفريغ قصيرة عالية التيار بعد شحن البطارية مباشرة تدفع الجزيرة للنمو في اتجاه القطب الموجب أو القطب السالب. ومن خلال إعادة الاتصال بالقطب الموجب يعود الليثيوم الميت في الجزيرة إلى الحياة مما يزيد من عمر البطارية بحوالي 30%.
انقطاع الاتصال
يبذل العلماء قدراً كبيراً من البحث عن طرق لصنع بطاريات قابلة لإعادة الشحن بوزن أخف وعمر أطول وسلامة محسنة وسرعات شحن أسرع من تقنية الليثيوم الأيونية المستخدمة حالياً في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والمركبات الكهربائية. ينصب التركيز بشكل خاص على تطوير بطاريات الليثيوم المعدنية، والتي يمكن أن تخزن المزيد من الطاقة لكل حجم أو وزن. على سبيل المثال، في السيارات الكهربائية، يمكن أن تزيد بطاريات الجيل هذه المسافة المقطوعة لكل شحنة وربما تشغل مساحة أقل في صندوق السيارة... تخيلوا هاتفاً محمولاً لا تنفد بطاريته ويبقيك على اتصال دائم بالعالم من حولك.. أو كمبيوتراً محمولاً لا يخذل مستخدمه عند نفاد بطاريته... لأن البطاريات التي يبحث عنها العلماء ذات عمر مديد ولا تنفد.
يستخدم كلا النوعين من البطاريات أيونات الليثيوم موجبة الشحنة التي تنتقل ذهاباً وإياباً بين الأقطاب الكهربائية. بمرور الوقت، يصبح بعض الليثيوم المعدني غير نشط كهربياً، مكوناً جزراً معزولة من الليثيوم لم تعد متصلة بالأقطاب الكهربائية. ينتج عن هذا فقدان السعة، وتعتبر هذه مشكلة خاصة لتقنية معدن الليثيوم ولشحن بطاريات الليثيوم الأيونية بسرعة.
ومع ذلك، في الدراسة الجديدة، أظهر الباحثون أنه يمكنهم تعبئة واستعادة الليثيوم المعزول لإطالة عمر البطارية.
قال يي كوي الأستاذ في جامعة ستانفورد ومختبر المسرع الوطني SLAC والباحث في معهد ستانفورد لأبحاث المواد والطاقة الذي قاد فريق أبحاث: لكننا اكتشفنا كيفية إعادة توصيل هذا الليثيوم "الميت" كهربائياً بالقطب السالب لإعادة تنشيطه.
زاحف وليس ميت
ولدت فكرة الدراسة عندما تكهن كوي أن تطبيق الجهد على قطبي البطارية السالب والموجب يمكن أن يجعل جزيرة معزولة من الليثيوم تتحرك فعلياً بين الأقطاب الكهربائية - وهي عملية أكدها فريقه الآن من خلال تجاربهم.
صنع العلماء خلية بصرية بها أيونات ليثيوم موجبة - نيكل - منغنيز - كوبالت - أكسيد (NMC) - وأيونات ليثيوم سالبة وجزيرة ليثيوم معزولة بينهما. سمح لهم جهاز الاختبار هذا بالتتبع في الوقت الفعلي لما يحدث داخل البطارية عند استخدامها.
اكتشفوا أن جزيرة الليثيوم المعزولة لم تكن "ميتة" على الإطلاق، ولكنها استجابت لعمليات البطاريات. عند شحن الخلية، تحركت الجزيرة ببطء نحو القطب الموجب وعند التفريغ تسللت في الاتجاه المعاكس.
قال كوي: إنها مثل دودة بطيئة جداً تمشي رأسها نحو الأمام وتسحب ذيلها لتتحرك نانومتراً بعد نانومتر. في هذه الحالة، تنتقل هذه الدودة عن طريق الذوبان بعيداً عن طرف بينما يتم إيداع المواد في الطرف الآخر. إذا تمكنا من إبقاء دودة الليثيوم تتحرك، فسوف تلامس في النهاية القطب الموجب وتعيد إنشاء الاتصال الكهربائي.
عندما تنتقل جزيرة من معدن الليثيوم المعطل إلى أنود البطارية أو القطب السالب، وتعيد توصيلها، تعود إلى الحياة، وتساهم الإلكترونات في تدفق تيار البطارية وأيونات الليثيوم لتخزين الشحنة لحين الحاجة إليها. تتحرك الجزيرة بإضافة معدن الليثيوم في أحد طرفيه (القطب ذي اللون الأزرق) وتذويبه في الطرف الآخر (القطب أحمر). اكتشف الباحثون من مختبر المسرع الوطني SLAC وستانفورد القائمون على هذه التجارب أنه يمكنهم دفع نمو الجزيرة في اتجاه القطب الموجب عن طريق إضافة خطوة تفريغ قصيرة عالية التيار بعد شحن البطارية مباشرة. أدت إعادة توصيل الجزيرة بالقطب الموجب إلى زيادة عمر خلية الليثيوم الأيونية قيد الاختبار بنسبة 30% تقريباً.
تعزيز العمر
النتائج، التي تحقق العلماء من صحتها باستخدام بطاريات اختبار أخرى ومن خلال نماذج محاكاة بمساعدة الكمبيوتر، توضح أيضاً كيف يمكن استعادة الليثيوم المعزول في بطارية حقيقية عن طريق تعديل بروتوكول الشحن.
قال ليو: وجدنا أنه يمكننا تحريك الليثيوم المنفصل باتجاه القطب الموجب أثناء التفريغ، وهذه الحركات تكون أسرع في ظل التيارات العالية. لذلك أضفنا خطوة تفريغ سريعة عالية التيار مباشرة بعد شحن البطارية، ما أدى إلى نقل الليثيوم المعزول بعيداً بما يكفي لإعادة توصيله بالقطب الموجب. يؤدي هذا الإجراء إلى إعادة تنشيط الليثيوم حتى يتمكن من المشاركة في زيادة عمر البطارية.
وأضاف: النتائج التي توصلنا إليها، لها أيضاً آثار واسعة على تصميم وتطوير بطاريات الليثيوم المعدنية الأكثر قوة.
----