حقق باحثو جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس اكتشافاً رائداً يمكن أن يعزز سلامة وكفاءة بطاريات الليثيوم المعدنية. من خلال منع التآكل أثناء ترسب الليثيوم، وجد الباحثون أن ذرات الليثيوم تشكل شكلاً فريداً من 12 جانباً، مما يقلل من مخاطر الانفجارات. يمكن أن يحدث هذا الابتكار ثورة في تكنولوجيا بطاريات الليثيوم، ما يؤدي إلى تحسين السلامة والأداء.
تعمل بطاريات الليثيوم الأيونية القابلة لإعادة الشحن على تشغيل الهواتف الذكية والمركبات الكهربائية وتخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، بالإضافة إلى عدة تقنيات أخرى. إنها تنحدر من تقنية أخرى، وهي بطارية معدن الليثيوم، التي لم يتم تطويرها أو اعتمادها على نطاق واسع. هناك سبب لذلك: في حين أن بطاريات الليثيوم المعدنية لديها القدرة على الاحتفاظ بحوالي ضعف الطاقة التي يمكن لبطاريات الليثيوم الأيونية أن تستوعبها، إلا أنها تمثل أيضاً خطراً أكبر بكثير من ناحية اشتعال النيران أو حتى الانفجار.
بحث ثوري
الآن، كشفت دراسة أجراها أعضاء من معهد كاليفورنيا للنظم النانوية في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس عن اكتشاف أساسي يمكن أن يؤدي إلى بطاريات ليثيوم - معدنية أكثر أماناً تتفوق على بطاريات الليثيوم الأيون الحالية. نُشر البحث في 2 آب في مجلة Nature.
يتفاعل الليثيوم المعدني بسهولة مع المواد الكيميائية بحيث يتشكل التآكل، على الفور تقريباً أثناء وضع المعدن على سطح مثل قطب كهربائي في ظل الظروف العادية. لكن الباحثين في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس طوروا تقنية تمنع هذا التآكل وأظهروا أنه في غيابه، تتجمع ذرات الليثيوم في شكل مفاجئ - ثنائي الوجوه المعيني، وهو شكل من 12 جانباً مشابهاً للنرد المستخدم في ألعاب الأدوار مثل الزنزانات والتنينات.
فهم الجوانب الهيكلية
قال يازانغ لي مؤلف الدراسة المساعد، وأستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية في كلية UCLA Samueli للهندسة وعضو CNSI. "كان من المدهش بالنسبة إلينا أن نكتشف أنه عندما منعنا تآكل السطح، رأينا شكلاً متعدد السطوح مفرداً يطابق التوقعات النظرية المستندة إلى التركيب البلوري للمعدن، بدلاً من هذه الأشكال غير المحددة بشكل سيئ. في النهاية، تسمح لنا هذه الدراسة بمراجعة كيفية فهمنا لبطاريات الليثيوم المعدنية".
في المقاييس الدقيقة، تخزن بطارية أيونات الليثيوم ذرات الليثيوم المشحونة إيجابياً في هيكل يشبه القفص من الكربون الذي يغلف قطباً كهربياً. على النقيض من ذلك، تقوم بطارية من معدن الليثيوم بدلاً من ذلك بتغطية القطب باستخدام الليثيوم المعدني. هذا يحزم عشرة أضعاف من الليثيوم في نفس المساحة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون، مما يفسر زيادة الأداء وكذلك زيادة الخطر.
تعتمد عملية وضع طلاء الليثيوم على تقنية عمرها أكثر من 200 عام تستخدم الكهرباء ومحاليل الأملاح التي تسمى الإلكتروليتات. في كثير من الأحيان، يشكل الليثيوم شعيرات متفرعة مجهرية ذات مسامير بارزة. في البطارية، إذا تقاطع اثنان من هذه المسامير، فقد يتسبب ذلك في حدوث ماس كهربائي قد يؤدي إلى انفجار.
آثار الاكتشاف
يشير الكشف عن الشكل الحقيقي للليثيوم - أي في غياب التآكل - إلى أنه يمكن التخفيف من خطر انفجار بطاريات الليثيوم المعدنية، لأن الذرات تتراكم بشكل منتظم بترتيب محدد بدلاً من الذرات التي يمكن أن تتقاطع. يمكن أن تكون للاكتشاف أيضاً آثار كبيرة على تكنولوجيا الطاقة عالية الأداء.
قال المهندس لي: "لقد أنتج العلماء والمهندسون خلال ما يزيد عن عقدين من الأبحاث ثورة في تصنيع المعادن بما في ذلك الذهب والبلاتين والفضة في أشكال مثل الأنابيب النانوية والأغلفة النانوية والأقراص النانوية. الآن بعد أن عرفنا شكل الليثيوم، السؤال هو، هل يمكننا ضبطه بحيث يشكل مكعبات، يمكن تعبئتها بكثافة لزيادة أمان وأداء البطاريات؟".
ترسيب الليثيوم
حتى الآن، كان الرأي السائد هو أن اختيار الإلكتروليتات في المحلول يحدد الشكل الذي يشكله الليثيوم على السطح - سواء كان الهيكل يشبه القطع أو الأعمدة. كان لدى باحثي جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس فكرة مختلفة.
قال طالب الدكتوراه بجامعة كاليفورنيا، سينتونغ يوان المؤلف الأول للدراسة: "أردنا أن نرى ما إذا كان بإمكاننا إيداع الليثيوم بهذه السرعة بحيث نتفوق على التفاعل الذي يسبب طبقة التآكل. بهذه الطريقة، يمكننا أن نرى على الأرجح كيف يريد الليثيوم أن ينمو في غياب هذه الطبقة".
تكرير تقنية ترسيب الليثيوم
طور الباحثون تقنية جديدة لإيداع الليثيوم أسرع من أشكال التآكل. لقد قاموا بتشغيل التيار عبر قطب كهربائي أصغر بكثير من أجل دفع الكهرباء للخارج بشكل أسرع - يشبه إلى حد كبير الطريقة التي تسد فيها فوهة خرطوم الحديقة جزئياً وتتسبب في خروج الماء بقوة أكبر.
كان التوازن مطلوباً، لأن تسريع العملية كثيراً سيؤدي إلى نفس الهياكل الشائكة التي تشكل دوائر قصيرة؛ عالج الفريق هذه المشكلة عن طريق تعديل شكل قطبهم الكهربائي الصغير.
وضعوا الليثيوم على الأسطح باستخدام أربعة إلكتروليتات مختلفة، وقارنوا النتائج بين التقنية القياسية وطريقتهم الجديدة. مع وجود التآكل، شكل الليثيوم أربعة أشكال مجهرية متميزة. ومع ذلك، من خلال عمليتهم الخالية من التآكل، وجدوا أن الليثيوم شكل ثنائيات عشرية صغيرة - لا يزيد حجمها عن 2 جزء من المليون من المتر، أو متوسط طول بكتيريا واحدة - في جميع الحالات الأربع.
كشف شكل الليثيوم
تمكن الباحثون من رؤية شكل الليثيوم بفضل تقنية التصوير التي تسمى المجهر الإلكتروني بالتبريد، أو cryo-EM ، والتي ترسل الإلكترونات عبر عينات مجمدة من أجل إظهار التفاصيل وصولاً إلى المستوى الذري مع منع تلف العينات.
أصبح Cryo-EM موجوداً في كل مكان في العلوم الحيوية لتحديد هياكل البروتينات والفيروسات. يتزايد استخدام علم المواد، وكان لباحثي جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس ميزتان رئيسيتان.
أولاً: عندما كان لي طالباً متخرجاً، أوضح أنه يمكن استخدام cryo-EM لتحليل الليثيوم، الذي يتساقط إلى أجزاء عند تعرضه لشعاع إلكتروني في درجة حرارة الغرفة. (نُشرت دراسته في عام 2017 في مجلة Science.)
ثانياً: أجرى الفريق تجارب في مركز التصوير الإلكتروني بالآلات النانوية التابعة لـجامعة CNSI، والذي يضم العديد من أدوات cryo-EM التي تم تخصيصها لاستيعاب أنواع العينات المستخدمة في أبحاث المواد.
ما زالت دراستهم حول تطوير بطاريات الليثيوم المعدنية قيد التطوير، لكن يوان وزملاءه متفائلون بالنتائج التي سوف يحققونها.
----
بقلم: واين لويس - معهد كاليفورنيا للنظم النانوية