دور التلدين في تحسين أداء بطارية الليثيوم الصلبة بالكامل

أصبحت بطاريات الليثيوم الصلبة بالكامل جنونًا جديدًا في علوم وهندسة المواد ، حيث لم تعد بطاريات الليثيوم أيون التقليدية قادرة على تلبية معايير التقنيات المتقدمة ، مثل المركبات الكهربائية ، التي تتطلب كثافة عالية للطاقة ، وشحن سريع ، ودورة طويلة الأرواح. بطاريات الحالة الصلبة بالكامل ، والتي تستخدم إلكتروليتًا صلبًا بدلاً من سائل إلكتروليت موجود في البطاريات التقليدية ، لا تفي بهذه المعايير فحسب ، بل إنها أكثر أمانًا وملاءمة نسبيًا لأنها تتمتع بإمكانية الشحن في وقت قصير.

ومع ذلك ، فإن المنحل بالكهرباء الصلب يأتي مع التحدي الخاص به. اتضح أن الواجهة بين القطب الموجب والإلكتروليت الصلب تُظهر مقاومة كهربائية كبيرة لم يتم فهم مصدرها جيدًا. علاوة على ذلك ، تزداد المقاومة عندما يتعرض سطح القطب الكهربائي للهواء ، مما يقلل من قدرة البطارية وأدائها. في حين تم إجراء عدة محاولات لخفض المقاومة ، لم ينجح أي منها في خفضها إلى 10 cm² (أوم سنتيمتر مربع) ، قيمة مقاومة الواجهة المبلغ عنها عندما لا تتعرض للهواء.

الآن ، في دراسة حديثة نُشرت في مواد وواجهات تطبيقية ACS، فريق بحث بقيادة البروفيسور تارو هيتوسوجي من معهد طوكيو للتكنولوجيا (طوكيو تيك) ، اليابان ، وشيجيرو كوباياشي ، طالب الدكتوراه في طوكيو تك ، ربما تمكنوا أخيرًا من حل هذه المشكلة. من خلال وضع إستراتيجية لاستعادة مقاومة الواجهة المنخفضة بالإضافة إلى كشف الآلية الكامنة وراء هذا التخفيض ، قدم الفريق رؤى قيمة في تصنيع بطاريات الحالة الصلبة عالية الأداء. كانت الدراسة نتيجة بحث مشترك أجرته طوكيو للتكنولوجيا والمعهد الوطني للعلوم الصناعية المتقدمة والتكنولوجيا (AIST) وجامعة ياماغاتا.

للبدء ، أعد الفريق بطاريات ذات أغشية رقيقة تتكون من قطب كهربائي سالب من الليثيوم ، وهو LiCoO₂ قطب موجب ، و Li₃PO₄ المنحل بالكهرباء الصلبة. قبل الانتهاء من تصنيع البطارية ، كشف الفريق LiCoO₂ سطح إلى هواء ، نيتروجين (N₂) ، الأكسجين (O₂) وثاني أكسيد الكربون (CO₂) ، الهيدروجين (H₂) ، وبخار الماء (H₂س) لمدة 30 دقيقة.

ولدهشتهم ، وجدوا أن التعرض لـ N.₂، و₂، أول أكسيد الكربون₂، و H.₂، لم يقلل أداء البطارية مقارنة ببطارية غير مكشوفة. ”فقط H₂بخار O يحلل بشدة Li₃PO₄ - LiCoO₂ واجهة ويزيد مقاومتها بشكل كبير إلى قيمة تزيد 10 مرات عن تلك الموجودة في الواجهة غير المكشوفة "، كما يقول البروفيسور هيتوسوجي.

أجرى الفريق بعد ذلك عملية تسمى "التلدين" ، حيث خضعت العينة لمعاملة حرارية عند 150 درجة مئوية لمدة ساعة في شكل بطارية أي مع ترسيب القطب السالب. والمثير للدهشة أن هذا أدى إلى خفض المقاومة إلى 10.3 cm²، على غرار البطارية غير المكشوفة!

من خلال إجراء عمليات المحاكاة العددية والقياسات المتطورة ، كشف الفريق بعد ذلك أن الانخفاض يمكن أن يُعزى إلى الإزالة التلقائية للبروتونات من داخل LiCoO₂ الهيكل أثناء التلدين.

"تظهر دراستنا أن البروتونات في LiCoO₂ تلعب البنية دورًا مهمًا في عملية الاسترداد. نأمل أن يساعد توضيح هذه العمليات المجهرية البينية في توسيع إمكانات تطبيقات بطاريات الحالة الصلبة بالكامل ".