كشف باحثون في طوكيو عن موصل ليثيوم أيون مستقر وعالي القدرة التوصيلية

• المادة الجديدة تظهر توصيل أيوني أعلى من المحلولات الصلبة الأكسيدية التي تم الإبلاغ عنها سابقاً.
• المادة مستقرة في الهواء وتتمتع بنطاق درجات حرارة تشغيل واسع من -10 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية.
• الاكتشاف يمكن أن يؤدي إلى تطوير بطاريات أكثر أمانًا وأداءً عاليًا لمجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك المركبات الكهربائية، والهواتف المحمولة، والأجهزة الطبية.

اكتشف علماء جامعة طوكيو للعلوم موصلًا ليثيوم أيونيًا مستقرًا وعالي القدرة على التوصيل بشكل استقر في شكل أكسي فلوريد من نوع البيروكلور. إنه ابتكار يُعالج الحاجة إلى كهرليات صلبة غير الكبريتيد.

تقدم بطاريات الليثيوم-أيون صلبة الكلي والتي تعتمد على الكهرليات الصلبة أمانًا وكثافة طاقة أعلى مقارنة بنظرائها المعتمدين على الكهرليات السائلة، ولكن تواجه تحديات مثل توصيل الكهرباء المنخفض ونقص اتصال القطب الكهرلي مع الكهرلي الصلب. الكهرليات الصلبة غير الكبريتيد توفر توصيلًا واستقرارًا أعلى وتمهد الطريق لبطاريات الليثيوم-أيون الصلبة الكلي المتقدمة بأداء وسلامة محسنين.

تم نشر ورقة الدراسة في مجلة كيمياء المواد. اكتشف فريق بحث بقيادة البروفيسور كينجيرو فوجيموتو والبروفيسور أكيهيسا آيمي من جامعة طوكيو للعلوم، والدكتور شوهي يوشيدا من شركة دينسو، موصل ليثيوم أيوني مستقرًا وعالي التوصيل بشكل أكسي فلوريد من نوع البيروكلور.

تتمتع بطاريات الليثيوم-أيون (Li-ion) الصلبة الكلية ذات الكهرليات الصلبة بعدم قابلية الاحتراق وكثافة طاقة وأرقام انتقال أعلى من تلك التي تعتمد على كهرليات السائل. من المتوقع أن تحتل حصة من السوق لبطاريات الليثيوم-أيون السائلة التقليدية، مثل السيارات الكهربائية.

ومع ذلك، على الرغم من هذه المزايا، تتمتع الكهرليات الصلبة بتوصيل أقل لليثيوم أيوني وتواجه تحديات في تحقيق اتصال كاف مع القطب الكهرلي الصلب. بينما تكون الكهرليات الصلبة القائمة على الكبريت موصلة، إلا أنها تتفاعل مع الرطوبة لتكوين غاز كبريتيد الهيدروجين السام. لذا، هناك حاجة لكهرليات صلبة غير كبريد التي تكون موصلة ومستقرة في الهواء لتصنيع بطاريات الليثيوم-أيون الصلبة الكلية آمنة وذات أداء عالي وقادرة على الشحن السريع.

وفقًا للبروفيسور فوجيموتو، "كان تحقيق بطاريات ليثيوم-أيون صلبة الكلية حلمًا طويل الأمد للعديد من الباحثين في مجال البطاريات. لقد اكتشفنا كهرليت صلبة أكسيدية تشكل مكونًا رئيسيًا في بطاريات الليثيوم-أيون الصلبة الكلية، التي تجمع بين كثافة طاقة عالية وسلامة. بالإضافة إلى كونها مستقرة في الهواء، فإن المادة تظهر توصيلًا أيونيًا أعلى مما تم الإبلاغ عنه سابقًا بالنسبة للكهرليات الصلبة الأكسيدية."

الأكسي فلوريد من نوع البيروكلور المدروس في هذا العمل يمكن تعبير عنه على أنه Li2-xLa(1+x)/3M2O6F (M = Nb, Ta). خضعت هذه المادة لتحليل هيكلي وتركيبي باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك تحليل الأشعة السينية، وتحليل ريتفيلد، وطيف البلازما البصري بالانبعاث المقترن بالإجهاد، وتحليل الانحياز الانتقائي لتشتيت الإلكترونات. تم تطوير خصوصًا Li1.25La0.58Nb2O6F، الذي أظهر توصيلًا أيونيًا جماعيًا بلغ 7.0 ملي سيمنز سم ?-1 وتوصيلًا أيونيًا إجماليًا بلغ 3.9 ملي سيمنز سم ?-1 عند درجة حرارة الغرفة.

تم العثور على أنه أعلى من توصيل الليثيوم أيون في الكهرليات الصلبة الأكسيدية المعروفة. طاقة التنشيط لتوصيل الأيونات في هذه المادة منخفضة للغاية، وتوصيلية هذه المادة أيونيًا عند درجة حرارة منخفضة من بين أعلى التوصيليات المعروفة بين كهرليات الصلبة، بما في ذلك المواد القائمة على الكبريت. بالضبط، حتى عند -10 درجة مئوية، لديها نفس توصيلية المواد الكهربية الصلبة الأكسيدية التقليدية عند درجة حرارة الغرفة. وعلاوة على ذلك، نظرًا للتوصيلية أعلى من 100 درجة مئوية، تم التحقق أيضًا من النطاق التشغيلي لهذه الكهرلية الصلبة من -10 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية. لا يمكن استخدام بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية في درجات حرارة أقل من الصفر. لذا، شروط التشغيل لبطاريات الليثيوم-أيون المستخدمة عادة في الهواتف المحمولة هي من 0 درجة مئوية إلى 45 درجة مئوية.

تمت دراسة آلية توصيل الليثيوم-أيون في هذه المادة. تغطي مسارات التوصيل في الهيكل من نوع البيروكلور الأيونات الموجودة في الثقوب التي تم إنشاؤها من خلال أكسيد النيوبيوم والتانتالوم. آلية التوصيل هي الحركة التسلسلية للأيونات الليثيمية مع تغيير الروابط مع أيونات الفلور. تتحرك أيونات الليثيم إلى أقرب موضع ليثيوم دائمًا عبر المواقف غير المستقرة. اللانثانم الثابت المرتبط بـ أيون الفلور يثني التوصيل لليثيم عن طريق حظر مسار التوصيل واختفاء المواقف غير المستقرة المحيطة.

على عكس بطاريات الليثيوم الثانوية الموجودة، تحتوي بطاريات الليثيوم الصلبة الكلية القائمة على الأكسيد على خطر تسرب الكهرليت نتيجة الضرر وخطر توليف الغازات السامة كما هو الحال مع البطاريات القائمة على الكبريت. لذلك، من المتوقع أن يقود هذا الابتكار الجديد البحث المستقبلي. "المادة الجديدة المكتشفة آمنة وتظهر توصيلًا أيونيًا أعلى عن تلك التي تم الإبلاغ عنها سابقًا بالنسبة لكهرليات الصلبة الأكسيدية. استخدام هذه المادة واعد لتطوير بطاريات ثورية يمكن أن تعمل في نطاق واسع من درجات الحرارة، من منخفضة إلى مرتفعة،" تتصور البروفيسور فوجيموتو. "نحن نعتقد أن الأداء المطلوب لتطبيق الكهرليات الصلبة للسيارات الكهربائية تم مراعاته."

يتمتع المادة الجديدة بثبات عالٍ ولن تشتعل إذا تم تلفها. إنها مناسبة للطائرات وأماكن أخرى حيث السلامة حرجة. كما أنها مناسبة لتطبيقات عالية السعة، مثل السيارات الكهربائية، لأنه يمكن استخدامها تحت درجات حرارة عالية وتدعم الشحن السريع. وعلاوة على ذلك، فإنها مادة واعدة أيضًا لتصغير البطاريات، والأجهزة المنزلية، والأجهزة الطبية.

في الختام، لم يكتشف الباحثون فقط موصلًا ليثيوميًا ذو توصيل عالي واستقرار في الهواء ولكنهم قدموا أيضًا نوعًا جديدًا من الموصلات السوبريونية ذات البيروكلور من نوع الأكسيفلوريد. يعد استكشاف الهيكل المحلي حول الليثيوم، التغيرات الديناميكية التي تحدث أثناء التوصيل، وإمكانية استخدامها ككهرليات صلبة لبطاريات الليثيوم-أيون الصلبة الكلية مجالات مهمة للبحث المستقبلي!

**

أثارت هذه الأخبار إثارة كبيرة في مجال البطاريات. ولكن غياب بعض صورة من التكلفة الاقتصادية ترك العديد يتساءلون. لم يناقش كيفية مقارنة هذه التقنية بأحسن التصنيع الحالية من حيث تكلفة الإنتاج.

ولكن يمكنك أن تراهن على أن هناك أشخاصًا يبحثون في ذلك. توفر هذه التقنية بطارية ليثيوم أيونية لا يُمكن