أخبار

زهور نانوية من تيتانات الليثيوم (مختبر بروكهافن الوطني)

مبدأ عمل بطاريات الليثيوم هو أنه أثناء الشحن، تتحرك أيونات الليثيوم بين القطب الموجب (الكاثود) والقطب السالب (الأنود)؛ أثناء التفريغ، تتحرك أيونات الليثيوم في الاتجاه المعاكس. في الوقت الحاضر، تستخدم بطاريات الليثيوم المستخدمة في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والمركبات الكهربائية عادةً أنودات الجرافيت. أثناء الشحن، سيتم إدخال أيونات الليثيوم في أنود الجرافيت؛ عند استخدام البطارية، سيتم إزالة أيونات الليثيوم من البطارية.

على الرغم من أن الجرافيت يمكنه تحمل مئات أو حتى آلاف دورات الشحن والتفريغ، إلا أنه لا يستطيع تخزين سعة كافية للتطبيقات التي تتطلب طاقة مكثفة. على سبيل المثال، لا يكون مدى المركبات الكهربائية طويلاً بما يكفي. بالإضافة إلى ذلك، لا يستطيع الجرافيت الشحن والتفريغ بمعدل مرتفع (طاقة). لذلك، كان العلماء يبحثون عن مواد بديلة للأقطاب الموجبة.

تيتانات الليثيوم (LTO) عبارة عن مادة أنود واعدة تتكون من الليثيوم والتيتانيوم والأكسجين. بالإضافة إلى قدرتها على الشحن والتفريغ بمعدلات عالية، تتمتع تيتانات الليثيوم أيضًا بثبات جيد للدورة ومساحة كافية لاستيعاب أيونات الليثيوم (بسعة كبيرة). ومع ذلك، فإن ضعف توصيلية تيتانات الليثيوم يمكن أن يؤدي إلى معدل انتشار بطيء لأيونات الليثيوم في المادة.

وبحسب تقارير إعلامية أجنبية، ذكرت إيمي مارشيلوك، عضو هيئة التدريس بدوام جزئي وأستاذة مشاركة في الكيمياء في قسم علوم المواد والهندسة الكيميائية بجامعة ستوني بروك، أن السعة المتاحة لـ LTO النقية معتدلة، لكنها لا تستطيع نقل الكهرباء بسرعة. كما تعمل إيمي مارشيلوك كنائبة مدير مركز خصائص النقل على نطاق متوسط، فضلاً عن كونها مديرة قسم تخزين الطاقة وعالمة في مختبر بروكهافن الوطني، وهو قسم متعدد التخصصات في وزارة الطاقة الأمريكية. كما ذكرت أن مواد البطاريات عالية السرعة جذابة للغاية لتطبيقات مثل المركبات الكهربائية وأدوات الطاقة المحمولة وأنظمة الطاقة الطارئة التي تتطلب تخزينًا سريعًا للطاقة في غضون بضع دقائق.

كما يعد مارشيلوك عضوًا في فريق ستوني كريك التابع لمختبر بروكهافن الوطني، والذي يتعاون في أبحاث LTO منذ عام 2014. وفي بحث حديث، أضاف الفريق الكلور إلى LTO من خلال عملية المنشطات، وبالتالي زيادة قدرته بمقدار 12%.

صرح ستانيسلاوس وونغ، الأستاذ البارز في قسم الكيمياء بجامعة شيكسي والباحث المهم في فريق البحث الطلابي، أن عمليات التنشيط المتحكم فيها يمكن أن تغير الخصائص الإلكترونية والبنيوية للمواد. في فريقي، نحن مهتمون باستخدام المعرفة الكيميائية لتوجيه تصميم ارتباطات الخصائص البنيوية المواتية. فيما يتعلق بـ LTO، فإن إضافة ذرات معززة يمكن أن يحسن من موصليته، ويوسع شبكته، ويوسع قناة نقل أيونات الليثيوم. لقد اختبر العلماء العديد من الأنواع المختلفة من المنشطات، لكنهم لم يدرسوا الكلور كثيرًا.

من أجل تصنيع LTO المضاف إليه الكلور، استخدم الفريق طريقة حل تسمى التخليق المائي الحراري. أثناء عملية التخليق المائي الحراري، أضاف العلماء محلولًا يحتوي على المادة الأولية ذات الصلة (مادة التفاعل المستخدمة لإنتاج المنتج المطلوب) إلى الماء، ووضعوا الخليط في حاوية محكمة الغلق، وتركوه عند درجة حرارة وضغط معتدلين نسبيًا لفترة من الوقت. في هذه الحالة، من أجل توسيع النطاق التجريبي، اختار العلماء سلائف التيتانيوم السائل بدلاً من رقائق التيتانيوم الصلبة المستخدمة في التفاعلات السابقة. بعد التخليق المائي الحراري لـ LTO النقي و LTO المضاف إليه الكلور لمدة 36 ساعة، استخدم العلماء خطوات معالجة كيميائية إضافية لفصل المواد المطلوبة. أجرى الفريق أيضًا دراسات تصويرية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) في منشأة المجهر الإلكتروني في مركز المواد النانوية الوظيفية (CFN) في مختبر بروكهافن الوطني، ووجدوا أن كلتا العينتين تحتويان على هياكل نانوية على شكل زهرة، مما يشير إلى أن عملية المعالجة الكيميائية لم تلحق الضرر بالهيكل الأصلي للمواد.

صرح وونغ أن طريقة التوليف الجديدة لدينا تعزز التفاعلات السريعة والموحدة والفعالة، مما يتيح الإنتاج على نطاق واسع لمثل هذه الزهور النانوية ثلاثية الأبعاد. تتميز هذه البنية الفريدة بمساحة سطح كبيرة، مع بتلات تشع للخارج من المركز، مما يوفر مسارات متعددة لدخول أيونات الليثيوم إلى المادة.

من خلال تغيير تركيزات الكلور والليثيوم والمواد الأولية ونقاء المواد الأولية ووقت التفاعل، وجد العلماء الظروف المثالية لإنشاء مواد نانوية عالية البلورات. أجرى العلماء العديد من الاختبارات الكهروكيميائية باستخدام عينات مُحسَّنة ووجدوا أنه عندما تم تفريغ البطارية بمعدل مرتفع لمدة 30 دقيقة، كان لدى LTO المشبع بالكلور سعة متاحة كبيرة، واستمر هذا الأداء بعد أكثر من 100 دورة شحن وتفريغ.

لفهم سبب إمكانية تحسين الأداء، استخدم الفريق نظرية حسابية لنمذجة التغيرات البنيوية والإلكترونية الناجمة عن إضافة الكلور. وعند حساب البنية الهندسية الأكثر استقرارًا لـ LTO المضاف إليه الكلور، وجد الفريق أن الكلور يفضل استبدال موضع الأكسجين في بنية LTO.

بعد ذلك، سيبحث الفريق في كيفية تأثير شكل الزهور النانوية ثلاثية الأبعاد على نقل أيونات الليثيوم. بالإضافة إلى ذلك، يستكشفون أيضًا مواد بديلة للأنودات والكاثودات على المستوى الذري لتحسين نقل أيونات الليثيوم.