في 21 أغسطس، اقترح البروفيسور ما تشنغ من جامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية (USTC) وزملاؤه استراتيجية فعّالة لمعالجة مشكلة تلامس القطب الكهربائي بالإلكتروليت، والتي تُعيق تطوير الجيل القادم من بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة. وقد أظهر القطب الكهربائي المركب الصلب-الصلب المُصنّع بهذه الطريقة قدراتٍ وأداءً استثنائيين.
إن استبدال الإلكتروليتات السائلة العضوية في بطاريات أيون الليثيوم التقليدية بإلكتروليتات صلبة يمكن أن يُخفف بشكل كبير من مشاكل السلامة، وقد يُكسر حاجز الأمان لتحسين كثافة الطاقة. ومع ذلك، فإن مواد الأقطاب الكهربائية الشائعة هي أيضًا مواد صلبة. ولأن التلامس بين مادتين صلبتين يكاد يكون من المستحيل أن يكون بنفس دقة التلامس بين الصلب والسائل، فإن البطاريات القائمة على الإلكتروليتات الصلبة حاليًا عادةً ما تُظهر تلامسًا ضعيفًا بين القطبين الكهربائيين وأداءً غير مُرضٍ للخلية الكاملة.
قال البروفيسور ما تشنغ من جامعة جنوب كاليفورنيا للتكنولوجيا، والباحث الرئيسي للدراسة: "إن مشكلة تلامس القطب الكهربائي مع الإلكتروليت في بطاريات الحالة الصلبة أشبه بمشكلة أقصر قضيب في برميل خشبي". وأضاف: "في الواقع، على مدار هذه السنوات، طوّر الباحثون العديد من الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات الصلبة الممتازة، إلا أن ضعف التلامس بينها لا يزال يحدّ من كفاءة نقل أيونات الليثيوم".
لحسن الحظ، قد تتغلب استراتيجية MA على هذا التحدي الهائل. بدأت الدراسة بفحص طور الشوائب ذرةً بذرة في نموذج أولي، وهو إلكتروليت صلب ذو بنية بيروفسكايت. على الرغم من اختلاف البنية البلورية بشكل كبير بين الشوائب والإلكتروليت الصلب، إلا أنه لوحظ أنهما يشكلان واجهات فوقية. بعد سلسلة من التحليلات البنيوية والكيميائية المفصلة، اكتشف الباحثون أن طور الشوائب متماثل في البنية مع الأقطاب الكهربائية الطبقية الغنية بالليثيوم عالية السعة. أي أن نموذجًا أوليًا من الإلكتروليت الصلب يمكن أن يتبلور على "القالب" الذي يشكله الإطار الذري لقطب كهربائي عالي الأداء، مما ينتج عنه واجهات ذرية متقاربة.
قال لي فوزين، الباحث الرئيسي، وهو حاليًا طالب دراسات عليا في جامعة تكنولوجيا النانو والتكنولوجيا: "هذه مفاجأة حقيقية. إن وجود الشوائب في المادة ظاهرة شائعة جدًا، لدرجة أنه غالبًا ما يتم تجاهلها. ومع ذلك، بعد دراستها عن كثب، اكتشفنا هذا السلوك التراكمي غير المتوقع، والذي ألهمنا بشكل مباشر استراتيجيتنا لتحسين تلامس المواد الصلبة".
وبالمقارنة مع نهج الضغط البارد المتبع بشكل شائع، فإن الاستراتيجية التي اقترحها الباحثون يمكن أن تحقق اتصالاً شاملاً وسلسًا بين الإلكتروليتات الصلبة والأقطاب الكهربائية على المستوى الذري، كما ينعكس في صورة المجهر الإلكتروني ذات الدقة الذرية. (مقدمة من فريق MA).
استفاد الباحثون من الظاهرة المرصودة، فبلوروا عمدًا مسحوقًا غير متبلور بنفس تركيبة الإلكتروليت الصلب المُركّب على سطح مركب غني بالليثيوم، ونجحوا في تحقيق تلامس دقيق وسلس بين هاتين المادتين الصلبتين في قطب كهربائي مُركّب. وبعد معالجة مشكلة تلامس القطب الكهربائي مع الإلكتروليت، وفّر هذا القطب المركب الصلب-الصلب قدرة سرعة تُضاهي حتى تلك المُقدّمة من قطب كهربائي مُركّب صلب-سائل. والأهم من ذلك، وجد الباحثون أيضًا أن هذا النوع من التلامس الطبقي بين الصلب والصلب قد يتحمّل عدم تطابق شبكي كبير، وبالتالي يُمكن تطبيق الاستراتيجية التي اقترحوها على العديد من الإلكتروليتات الصلبة الأخرى المُركّبة على البيروفسكايت والأقطاب الكهربائية الطبقية.
قال MA: "أشار هذا العمل إلى اتجاه جدير بالمتابعة. إن تطبيق المبدأ الذي طُرح هنا على مواد مهمة أخرى قد يؤدي إلى تحسين أداء الخلايا واكتشافات علمية أكثر إثارة للاهتمام. ونحن نتطلع إلى ذلك".
ويعتزم الباحثون مواصلة استكشافهم في هذا الاتجاه، وتطبيق الاستراتيجية المقترحة على كاثودات أخرى عالية السعة وعالية الإمكانات.
نُشرت الدراسة في مجلة "ماتر"، وهي مجلة رائدة تابعة لـ"سيل برس"، بعنوان "التلامس الذري الوثيق بين الإلكتروليتات الصلبة وأقطاب بطاريات الليثيوم". المؤلف الرئيسي هو لي فوزين، طالب دراسات عليا في جامعة تسينغهوا للتكنولوجيا. وتعاون مع البروفيسور ما تشنغ كلٌ من البروفيسور نان سي-وين من جامعة تسينغهوا والدكتور زو لين من مختبر أميس.
(كلية الكيمياء وعلوم المواد)
رابط الورقة: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
وقت النشر: 03-06-2019