بطارية ليثيوم معدنية، تزيل الخوف من الانفجار

طوّر فريق بحثي في كوريا الجنوبية طريقة جديدة لجعل بطاريات الليثيوم-المعادن أكثر أمانًا ومتانةً، وأقرب إلى التسويق التجاري. يفتح هذا البحث آفاقًا جديدة لمستقبل المركبات الكهربائية وتخزين الطاقة على نطاق واسع.

بقيادة الدكتور جونجدون سوك في المعهد الكوري للتكنولوجيا الكيميائية (KRICT)، اخترع فريق البحث تقنية خاصة "الطباعة بالنقل".

وتسمح هذه التقنية بإنشاء طبقة واقية على سطح الليثيوم دون استخدام مذيبات كيميائية سامة أو إتلاف طبقة الليثيوم الحساسة - وهو تحد كبير أدى إلى إبطاء تطوير تكنولوجيا بطاريات الليثيوم المعدنية لسنوات.

يُلفّ قلب بطارية الليثيوم في طبقتين من المواد باستخدام تقنية الطباعة بالنقل من لفة إلى لفة. الصورة: KRICT – جونجدون سوك

بطاريات الليثيوم المعدنية: ثورة الطاقة الجديدة؟

على عكس بطاريات الليثيوم أيون التقليدية التي تستخدم كاثود الجرافيت، تستخدم بطاريات الليثيوم المعدنية الليثيوم النقي، الذي يحتوي على كثافة طاقة أعلى بعشر مرات - مما يسمح بتخزين المزيد من الطاقة في بطارية أصغر وأخف وزنًا بشكل كبير.

هذه هي التقنية الأساسية للبطاريات المتطورة، مثل بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات الليثيوم-الكبريت. إلا أن الليثيوم المعدني يعاني من نقطة ضعف خطيرة: أثناء الشحن/التفريغ، يمكن أن تنمو ألياف دقيقة تشبه الإبر، تُسمى التغصنات، على سطح الليثيوم.

عندما تكبر هذه المواد، قد تُسبب ماسًا كهربائيًا أو حرائق أو تعطلًا كاملًا للبطارية. أما كوريا، فقد استخدمت طريقة غير مباشرة.

نموذج أولي لبطارية ليثيوم-معدنية طورها فريق البحث. الصورة: KRICT – جونجدون سوك

تقليديا، لمنع التشعبات، يتم تطبيق الطلاءات الواقية مباشرة على الليثيوم باستخدام المذيبات السائلة - ولكن هذا يمكن أن يؤدي بسهولة إلى تلويث وإتلاف سطح الليثيوم، مما يجعل الإنتاج الضخم صعبًا للغاية.

قام فريق KRICT بقلب هذه العملية رأسًا على عقب. إذ قاموا بتشكيل الطبقة الواقية مسبقًا على سطح آخر، ثم "لصقها" برفق بالليثيوم بالضغط - كما لو كانوا يلصقون ملصقًا.

تُسمى هذه الطريقة طباعة النقل من لفة إلى لفة. وهي نظيفة وقابلة للتطوير ولا تُلحق الضرر بالليثيوم. وقد صمموا نوعين من الطبقات الواقية، إحداهما مصنوعة من سبيكة أكسيد الألومنيوم والذهب، والأخرى مادة هجينة مصنوعة من السيراميك والبوليمر المرن.

يبلغ سمك كل منهما حوالي 5 ميكرومتر فقط، لكنهما قادران على تغطية مساحات كبيرة، مما يمنع نمو الشجيرات ويساعد أيونات الليثيوم على التحرك بكفاءة أكبر بين القطب الكهربائي والإلكتروليت.

وفي الاختبارات، احتفظت البطاريات المحمية بأكثر من 81% من سعتها بعد 100 دورة شحن - أي ضعف ما احتفظت به بطاريات الليثيوم غير المحمية - وظلت مستقرة حتى أثناء الشحن السريع.

تحظى بطاريات الليثيوم أيون بشعبية كبيرة، إلا أن خطر الانفجار هو المشكلة الأكثر إثارة للقلق اليوم. الصورة: Gen AI

نجح الفريق في تصميم نموذج أولي لبطارية بأبعاد 245 × 50 مم، أي ما يعادل نصف حجم بطارية AAA. وهذا يُثبت أنها مناسبة للإنتاج الصناعي.

ويعتقد العلماء أن هذه الطريقة يمكن أن تعمل على تسريع تسويق بطاريات الليثيوم المعدنية، وخاصة للسيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق، ويمكن أيضًا تطبيقها على تقنيات البطاريات الجديدة مثل بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات الليثيوم والكبريت.

وقال الدكتور يونج كوك لي، رئيس مجلس إدارة KRICT: "يعد هذا أحد الحلول الأكثر عملية لتحقيق بطاريات الليثيوم المعدنية عالية الطاقة"، مؤكدًا على إمكانات التكنولوجيا في تعزيز مكانة كوريا في سلسلة توريد البطاريات العالمية.