Your Feedback

البطاريات

تصميم بطاريات عالية الأداء

ترجمت باستخدام ترجمة جوجل

Source: EnvatoElements. LSQNYH8DAK

Aenert. Research Laboratory news
يعد تطوير تقنيات البطاريات عالية الطاقة والفعالة أحد الجوانب الرئيسية عندما يتعلق الأمر بتعزيز كهربة النقل والطيران. ومع ذلك، قد يستغرق الأمر أحيانًا سنوات قبل أن تصبح ابتكارات البطاريات جاهزة للتطبيق على نطاق واسع.
أحد أهم جوانب البطارية هو المنحل بالكهرباء. الإلكتروليتات هي مكونات البطارية التي يمكنها تبادل الأيونات ذهابًا وإيابًا بين القطبين الكهربائيين في البطارية وبالتالي إنتاج الكهرباء. وهذا يؤدي إلى الشحن والتفريغ. بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون اليوم، فإن كيمياء الإلكتروليتات محددة جيدًا نسبيًا. هناك عدة أنواع عامة من الإلكتروليتات، والتي يقوم المهندسون بتعديلها لتناسب تطبيقات معينة. وهي تشتمل عادةً على أملاح أو أحماض أو قواعد أخرى قابلة للذوبان. يمكن أن تحتوي أنظمة البطاريات البديلة على هلام سائل أو أشكال جافة. قد تكون بعض الأنواع أيضًا بوليمرات أو سيراميك صلب أو أملاح منصهرة.

الآن (2023)، اكتشف فريق من العلماء في مختبر أرجون الوطني نوعًا من السلوك "التعاوني" الذي يمكن أن يحدث بين الخلائط المعقدة من المكونات في إلكتروليتات البطارية. ووجدوا أن الجمع بين نوعين مختلفين من الأنيونات مع الكاتيونات يمكن أن يحسن بشكل كبير الأداء العام للبطارية، وأعربوا عن أملهم في أن يساعد الاختيار الدقيق لمخاليط الأيونات مطوري البطاريات على تصميم أجهزتهم بدقة لإنتاج خصائص الأداء المطلوبة.

ركز العلماء على نوع من البطاريات يسمى البطارية متعددة التكافؤ. تستخدم هذه البطاريات الكاتيونات مثل الزنك والمغنيسيوم والكالسيوم بشحنة +2 مقابل +1 لأيونات الليثيوم. نظرًا لأنها قادرة على نقل المزيد من الشحنات، يمكن للبطاريات متعددة التكافؤ أيضًا تخزين وإطلاق المزيد من الطاقة، مما يجعلها جذابة للاستخدام في السيارات الكهربائية. ومع ذلك، فإن معظم البطاريات متعددة التكافؤ في الوقت الحاضر لا تعمل بشكل جيد، لأنها غير مستقرة وتتحلل. ونتيجة لذلك، فإن الإلكتروليتات غير قادرة على نقل الكاتيونات بكفاءة، مما يقلل من قدرة البطارية على توليد وتخزين الكهرباء.

كأحد المرشحين الرئيسيين للبطارية متعددة التكافؤ، نظر العلماء إلى بطارية تتكون من معدن الزنك. كان هدفهم هو وصف كيفية تفاعل المكونات وما هي الهياكل التي تتشكل عندما يتم دمج كاتيونات الزنك مع نوعين مختلفين من الأنيونات في المنحل بالكهرباء. لقد أرادوا أيضًا معرفة كيفية تأثر الجوانب الرئيسية لأداء البطارية بالتفاعلات مثل ترسب المعادن وتجريد القطب الموجب.

لذلك، تم تصميم نظام بطارية على نطاق المختبر يشتمل على أنود إلكتروليت وزنك. يحتوي المنحل بالكهرباء في البداية على كاتيونات الزنك وأنيون، يسمى TFSI، مع جذب ضعيف جدًا للكاتيونات. ثم تمت إضافة أنيونات الكلوريد إلى المنحل بالكهرباء.

قام الباحثون بتحليل التفاعلات والهياكل بين هذه الأيونات باستخدام ثلاث تقنيات تكميلية: التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية، والذي يتضمن فحص المنحل بالكهرباء باستخدام حزم الأشعة السينية السنكروترونية وقياس امتصاص الأشعة السينية؛ مطياف رامان، الذي يضيء المنحل بالكهرباء بضوء الليزر ويقيم الضوء المتناثر: نظرية وظيفية للكثافة يمكنها محاكاة وحساب الهياكل التي تشكلها التفاعلات بين الأيونات في المنحل بالكهرباء.

ووجد الفريق أنه في وجود الكلوريد، يمكن أن تقترن أنيونات TFSI بسهولة مع كاتيونات الزنك. يمكن أن يؤثر هذا على المعدل الذي يمكن به ترسيب الكاتيون كمعدن على الأنود أثناء الشحن أو تجريده مرة أخرى إلى المنحل بالكهرباء أثناء التفريغ. يمكن لتفاعلات الأقطاب الكهربائية الأسرع التي تحتاج إلى طاقة أقل تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهرباء بكفاءة أكبر.

كرر الفريق هذه التجارب مع خليطين أيونيين آخرين. يحتوي أحدهما على أيونات البروميد بدلاً من الكلوريد، والآخر يحتوي على أيونات اليوديد بدلاً من الكلوريد. وكانت النتيجة مشابهة لما حدث مع الكلوريد: حيث حث البروميد واليوديد أنيونات TFSI على الاقتران بكاتيونات الزنك. مع جميع المجموعات الثلاث من الأيونات، قام الباحثون بقياس النشاط الكهروكيميائي عند السطح البيني بين المنحل بالكهرباء والأنود. كان البروميد واليوديد أكثر نشاطًا من الكلوريد لأنهما يحملان كاتيونات الزنك بقوة أقل. وهذا يمكن أن يمكّن بطارية أيون الزنك من الشحن والتفريغ بسرعة أكبر.


Image: Molecular dynamics simulations and characterisation of electrolytes. Snapshots of local structure evolution for a 1 m Ca(NO3)2 electrolyte, b saturated Ca(NO3)2 electrolyte, and c aqueous gel electrolyte based on MD simulation at 10 ns. d The hydrogen bonds and the percentage of water molecular coordinated with Ca2+ for three electrolyte samples based on MD simulation at 10 ns. The hydrogen bond between the Ca2+–H2O complex and PVA repetitive unit is shown in the inset. The green, red, white and grey balls represent Ca, O, H and C, respectively. e Raman spectra of the 1 m, 2 m, 5 m and saturated Ca(NO3)2 aqueous electrolytes, and aqueous gel electrolyte.



Source: Xiao Tang, Dong Zhou, Bao Zhang, Shijian Wang/ Universal strategy towards high–energy aqueous multivalent ion batteries/ Research Square January 2021/ DOI:10.21203/rs.3.rs-140085/v1/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

أكثر ما أذهل العلماء أثناء التجربة هو التعاون الذي حدث بين أنواع مختلفة من الأيونات في المنحل بالكهرباء. ويبدو أن وجود الأنيونات ضعيفة الجذب يقلل من كمية الطاقة اللازمة لسحب معدن الزنك من المحلول. ومن ناحية أخرى، وجد أن وجود الأنيونات شديدة الجذب يقلل من كمية الطاقة اللازمة لإعادة الزنك إلى المحلول مرة أخرى. في المجمل، كانت هناك حاجة إلى طاقة أقل لدفع هذه العملية ذهابًا وإيابًا وتمكين التدفق المستمر للتيار الكهربائي.

يعمل العلماء باستمرار على اختراع تقنيات جديدة للبطاريات. في عام 2021، تم تطوير بطارية أيونية مائية متعددة التكافؤ باستخدام إلكتروليتات هلامية مائية فائقة التركيز ذات نافذة واسعة، وأنودات كبريتية عالية السعة، وكاثودات أكسيد فلز عالية الجهد. كانت كيمياء البطارية المائية مسؤولة عن بطاريات أيونية متعددة التكافؤ طويلة الأمد مع زيادة كثافة الطاقة العالية وقابلية الانعكاس والسلامة. كنموذج توضيحي، تم بناء خلية كاملة من أيون الكالسيوم - كبريت || أكسيد المعدن والتي أظهرت كثافة طاقة عالية تبلغ 110 وات/كجم -1 واستقرارًا ممتازًا للدورة. أظهرت نمذجة الديناميكيات الجزيئية والأبحاث التجريبية أنه يمكن تقليل التفاعلات الجانبية من خلال قمع نشاط الماء وتكوين طور بيني وقائي من الإلكتروليت الصلب غير العضوي في إلكتروليت الجل المائي. يمكن أيضًا أن تمتد كيمياء الأكسدة والاختزال الفريدة لتشمل أيونات المغنيسيوم المائية وأيونات الألومنيوم-الكبريت||بطاريات أكسيد المعدن.

في عام 2023، طور العلماء غشاء إلكتروليت متسرب للأيونات يمكن أن يكون بمثابة خزان Li⁺ مستقر لضمان رقم نقل Li⁺ شبه فردي (0.78) وتجانس هجرة Li⁺ لتقليل نمو التغصنات. أتاح هذا لخلية Li // LFP متوسطًا فائقًا لكفاءة Coulombic (حوالي 99.97٪) بعد ركوب الدراجات لمدة نصف عام تقريبًا واستقرارًا ممتازًا في ركوب الدراجات عند الاقتران مع LiCoO2 بكمية محدودة من Li وLiNi0.8Mn0.1Co0.1O2. أظهرت هذه الخصائص إمكانات كبيرة لقيمة المنفعة للكهارل المترشح للأيونات.


Image: (A) Schematic diagram for the structure of ion-percolating electrolyte membrane. (B) Photographs of IPS at flat and bending conditions. (C) Side-view SEM image of IPS (D) FTIR spectrum of PVDF, IPS and attapulgite. (E) Heat shrinkage tests of PE and IPS before and after treating at 1400C. (F) TGA curves of PE and IPS



Source: Yu-Ting Xu, Sheng-Jia Dai,  Xiao-Feng Wang, Yu-Guo Guo, Xian-Xiang Zeng, Xiong-Wei Wu/ An ion-percolating electrolyte membrane for ultrahigh efficient and dendrite-free lithium metal batteries/ InfoMat, November 2023/ DOI:10.1002/inf2.12498/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) 

تتمتع الاكتشافات الحديثة في مجال علم البطاريات متعددة التكافؤ بالعديد من الفوائد المحتملة: تستخدم البطاريات متعددة التكافؤ عناصر وفيرة يتم توفيرها من خلال سلاسل التوريد المحلية المستقرة. ولا يمكن قول الشيء نفسه عن الليثيوم الأقل وفرة وله سلسلة توريد دولية باهظة الثمن ومتقلبة. مع اكتشاف هذا السلوك في البطاريات متعددة التكافؤ، يمكن القضاء على العديد من المشاكل المذكورة أعلاه الموجودة في هذا النوع من البطاريات وتصميم إلكتروليتات أكثر استقرارًا للبطاريات المتقدمة. ومن خلال التحكم الأكثر دقة في تفاعلات المكونات، يمكن لمطوري البطاريات تعزيز نقل الكاتيون، وزيادة استقرار القطب الكهربائي ونشاطه، وتمكين توليد وتخزين الكهرباء بشكل أسرع وأكثر كفاءة.

ستكون الخطوة التالية في البحث هي دراسة كيفية تفاعل الكاتيونات متعددة التكافؤ الأخرى مثل المغنيسيوم والكالسيوم مع مخاليط الأنيونات المختلفة. وهناك خط جديد آخر من الأبحاث سيتعامل مع استخدام التعلم الآلي لحساب التفاعلات والهياكل والنشاط الكهروكيميائي الذي يحدث مع العديد من مجموعات الأيونات المختلفة بسرعة. وهذا من شأنه أن يسرع عملية اختيار التركيبات الواعدة التي يمكن بعد ذلك تحليلها في المختبر.

من قبل هيئة التحرير