ملخصات الأبحاث

ترسيب الليثيوم وتقشيره في البطاريات ذات الإلكتروليتات الصلبة

.Y. Chen et al

  • Published online:

تتطلب بطاريات فلز الليثيوم ذات الإلكتروليتات الصلبة سعة كافية للإجهاد الميكانيكي المُولَّد كهرومغناطيسيًّا داخل الليثيوم، الذي قد يصل إلى 1 جيجا باسكال حين يبلغ فرق الجهد في البطارية 135 مللي فولت. ومن الصعب الحفاظ على الاستقرار الميكانيكي والكهروكيميائي للبِنْية الصلبة، على الرغم من احتكاكها بفلز الليثيوم المتحرك المسبِّب للتآكل. وفي البحث المنشور، يستخدم الباحثون التصوير الموضعي بالمجهر الإلكتروني النافذ، لدراسة ترسيب الليثيوم أو الصوديوم الفلزيَّين وتقشيرهما، أثناء وضعهما بين عددٍ كبير من الأُنيبيبات المجوفة المتوازية، المصنوعة من موصل مختلط للأيونات والإلكترونات (MIEC).

يوضح الباحثون أنَّ هذه الفلزات القلوية –حين توجد في صورة بلوراتٍ مفردة– يمكنها البروز خارج الأُنيبيبات، والتراجع إلى داخلها عبر عملية «تشوه كوبل» انتشارية خالصة، على امتداد الحدّ الطوري الفاصل بين الفلز، وموصل الأيونات والإلكترونات. وعلى عكس الإلكتروليتات الصلبة، يتسم العديد من الموصلات الأيونية والإلكترونية بالاستقرار الكهروكيميائي عند ملامسة الليثيوم (بمعنى أنه يوجد خط ربط مباشر بينها وبين الليثيوم الفلزي في مخطط أطوار الاتزان). وبهذا.. فإن آلية «تشوه كوبل» هذه يمكنها تخفيف الإجهاد بفاعلية، والحفاظ على التلامس الإلكتروني والأيوني، والتخلص من مخلفات الطَّور البيني للإلكتروليت الصلب، والسماح بعملياتٍ قابلة للعكس لترسيب الليثيوم وتقشيره، على مسافةٍ تصل إلى 10 ميكرومترات لكل 100 دورة شحن.

ووجد الباحثون أنَّ خلية كاملة، عرضها سنتيمتر واحد -وتتألف من حوالي 1010 من أسطوانات موصلات الشحنات الأيونية والإلكترونية، والإلكتروليت الصلب، وفوسفات حديد الليثيوم- تتسم بسعةٍ كبيرة تبلغ حوالي 164 مللي أمبير لكل جرام من فوسفات حديد الليثيوم، ولا تُظْهِر تقريبًا أي انحلالٍ على مدار أكثر من 50 دورة شحن، بدءًا بفائض ليثيوم مقداره 1x. وتبيِّن عمليات النمذجة أنَّ التصميم لا يتأثر باختيار المادة الموصلة للشحنات الأيونية والإلكترونية حين يبلغ عرض قنواتها حوالي 100 نانومتر، وعمقها حوالي 10-100 ميكرومتر. لذا.. قد يتيح هذا التصميم التغلب على مشكلات الواجهة بين الفلز والإلكتروليت في بطاريات فلز الليثيوم ذات الإلكتروليتات الصلبة، كما يتضح من سلوك فلز الليثيوم داخل قنوات المادة الموصلة للشحنات الأيونية والإلكترونية.