الهندسة البينية للأقطاب الكهربائية المعدنية للبطاريات

تعد البطاريات عالية الطاقة ذات العمر الافتراضي الطويل بمثابة الطموح الإنمائي لتطبيقات تخزين الطاقة، بحيث تعد الأقطاب الكهربائية المعدنية ذات السعة المحددة العالية وإمكانية التقليل المنخفضة من المرشحين المحتملين للجيل التالي من بطاريات الطاقة الكهربائية عالية الجودة.

التعريف بالمكونات البينية للأقطاب الكهربائية الخاصة بالبطاريات

كان حياد الكربون هو الهدف المشترك للمجتمع البشري لتحقيق التنمية المستدامة، والتي تحث على تحويل موارد الطاقة التقليدية القائمة على الأحافير إلى هياكل استهلاك الطاقة الخضراء، بحيث يمكن لتكنولوجيا تخزين الطاقة دمج الطاقة المتجددة بكفاءة في الشبكة وهي دعم رئيسي لتحقيق هدف حياد الكربون، وذلك كواحدة من أكثر تقنيات تخزين الطاقة المحتملة، كما كان لبطاريات الليثيوم (Li) أيون تأثير عميق على المجتمع، وهي معترف بها في جائزة نوبل في الكيمياء لعام (2019)م.

وعلى الرغم من تحقيق كثافة طاقة رائعة بواسطة أنود الجرافيت وكاثود أكسيد الليثيوم فلز؛ إلا أنها لا تزال محدودة لتلبية الطلب على كثافة طاقة أعلى، بحيث تم استكشاف الأقطاب الكهربائية المعدنية كبديل محتمل لقدرتها النظرية العالية وإمكاناتها الكهروكيميائية المنخفضة، كما تمت دراسة تطبيقات الأقطاب الكهربائية المعدنية في البطاريات لفترة طويلة.

على سبيل المثال تم تحقيق قطب (Li-metal) في البطاريات بواسطة (Laszczynski ،Gorski) في عام (1897)م، ومع ذلك؛ فقد تم تعليق تطوير بطاريات الليثيوم المعدنية بسبب عدم القدرة على حل مشكلات إعادة شحن أقطاب الليثيوم المعدنية، في الآونة الأخيرة أدى السعي وراء كثافة الطاقة العالية إلى إعادة تنشيط اهتمام الباحثين في مجال الأقطاب الكهربائية المعدنية.

أهم تحديات القطب المعدني الصلب في البطاريات

تحدد خصائص الواجهة للقطب الكهربائي المعدني بشكل مباشر دورة الحياة وسلامة بطاريات الأقطاب الكهربائية المعدنية، والتي تعد واحدة من أكبر التحديات التي تعيق تطبيقاتها العملية، بحيث يمكن أن تُعزى مشكلات الواجهة الخاصة بالأقطاب الكهربائية المعدنية إلى ثلاث فئات، وهي تشكيل التشعبات وتطور (SEI) وعدم توافق الواجهة وعدم استقرارها، وذلك كما هو موضح في الشكل التالي (1-A).

يظهر الشكل في الجزء (A) بأنه يمكن أن تنفصل التشعبات المعدنية المتكونة في عملية الطلاء الكهربائي بسهولة عن الركيزة أثناء عملية التجريد وتشكل معادن ميتة، مما يؤدي إلى تلاشي سعة البطارية، علاوة على ذلك؛ فإن النمو غير المقيد للتشعبات المعدنية يمكن أن يخترق الغشاء بسهولة ويسبب قصراً في الدائرة الكهربائية للبطارية، بالإضافة إلى ذلك؛ فإن زيادة مساحة التلامس الناتجة عن التفرعات التي ستؤدي إلى تفاقم استهلاك الإلكتروليت، وبالتالي زيادة الاستقطاب والحد من دورة حياة البطاريات.

• آلية تشكيل التشعبات: بشكل عام؛ فإنه يمكن تصنيف سلوك ترسيب الأنودات المعدنية في خطوات التنوي والنمو، كما أنه يمكن للمواقع المفضلة (عيوب مثل الشوائب، الشقوق، المسام، وما إلى ذلك)؛ أن تعزز بشكل فعال تنوي الأيونات، مما يؤدي إلى تراكم الأيونات غير المتكافئ على الركيزة المعدنية، وبالمثل؛ فإن كثافة التيار العالي ستسبب مجالًا كهربائياً غير منتظم على سطح الأقطاب الكهربائية المعدنية.

كما وتؤدي إلى تنوي الأيونات غير المتكافئ، وعلى هذا الأساس تميل أيونات المعادن إلى التجمع والنمو إلى تشعبات أثناء عملية الترسيب من أجل تقليل الطاقة السطحية والمنطقة المكشوفة، لذلك؛ فإن نمو التشعبات هو مشكلة كهروكيميائية تتضمن العديد من العوامل المعقدة داخل البطارية (الشكل (1-B) وهناك أيضًا تفسيرات مختلفة لتشكيل التشعبات.

• التطور الديناميكي لـ (SEI): بصفته عازلاً إلكترونياً وموصلاً ممتازاً للأيونات؛ فقد تم اكتشاف (SEI) لأول مرة بواسطة (Dey and Sullivan) في عام (1970)م، كما وتم تحديده بواسطة (Peled) في عام (1979)م، كما ويرتبط هيكله وتكوينه ارتباطاً وثيقاً بترسيب أيونات المعادن، وعندما تكون الأقطاب المعدنية النشطة على اتصال مباشر الإلكتروليتات؛ فإن التفاعل الذي يحدث حتماً في واجهة القطب الكهربائي (EEI).

• عدم توافق الوجه وعدم الاستقرار: هنا يمكن أن يؤدي استخدام إلكترونيات الحالة الصلبة غير القابلة للاشتعال (SSEs) والإلكتروليتات المائية إلى التخفيف من مخاطر السلامة المحتملة الناجمة عن الهروب الحراري للبطاريات الناتج عن التشعبات تحسين سلامة بطاريات الأقطاب الكهربائية المعدنية، ومع ذلك؛ فإن المشاكل المصاحبة في بطاريات الحالة الصلبة وبطاريات الإلكتروليت المائية يجب أن تهتم عند الاقتران مع الأقطاب الكهربائية المعدنية.

الهندسة البينية للأقطاب الكهربائية المعدنية الصلبة

دائمًا ما يكون تشغيل البطارية مصحوباً بنقل الإلكترون ونقل الأيونات في (EEI)، بحيث يلعب (EEI) المستقر دوراً حيوياً في تعزيز قابلية الدوران وإطالة عمر بطاريات الأقطاب الكهربائية المعدنية القابلة لإعادة الشحن، كذلك تم طرح العديد من القياسات التي يمكن تقسيمها إلى تحسين ديناميكيات النقل الجوهرية للقطب الكهربائي المعدني وتنظيم الكيمياء البينية وبناء الطور البيني الصلب.

آلية تحسين ديناميكيات النقل الكهربائي الجوهرية

لقد ثبت أن تنظيم ديناميكيات النقل الأيوني هو استراتيجية فعالة لمنع تشكل التشعبات، واستناداً إلى خفض حاجز طاقة التنوي وفضح مواقع النواة وتقليل تمدد الحجم؛ فإنه يمكن تصنيف العديد من استراتيجيات التلاعب في الأنود المعدني المنظم ثلاثي الأبعاد، والذي ينظم اتجاه البلورة وسبائك، بحيث يتم عرض تلخيص موجز في الجدول التالي.

وبالنسبة الى الأنود المعدني ثلاثي الأبعاد؛ فإنه يمكن للشبكة الكهربائية المتكاملة الفريدة في الهندسة الوصفية ثلاثية الأبعاد أن تحابي نقل الأيونات أو الإلكترونات، كما وتوفر المزيد من مواقع التنوي وتقليل كثافة التيار المحلي واستيعاب تغيرات الحجم، ومع ذلك؛ فإن تعديل هيكل المعادن النقية قد يعاني من التدمير الهيكلي ويصعب على المصنع واسع النطاق، لذلك تم تحويل التركيز إلى تحسين مجمّع التيار ثلاثي الأبعاد المعدني والكربون للأقطاب المعدنية القلوية.

ووصولاً الى تنظيم اتجاه البلورات، ووفقاً لمسار نقل الأيونات التفضيلي؛ فإنه يمكن أن يؤدي التعريض المتعمد للطائرة البلورية ذات الاتجاه المفضل إلى تقليل حاجز طاقة تنوي الأيونات وتوجيه نقل الأيونات، وبالتالي منع تراكم الأيونات وتشكيل التشعب، وفي دراسة علم البلورات ثبت أن الليثيوم أيون يترسب بشكل إيجابي في اتجاه <110>، لذلك يُنصح باستخدام الركيزة الموجهة خصيصاً لتوجيه نقل (Li-ion).

كما تظهر لائحة الكيمياء البينية، بحيث يُعد تنظيم الكيمياء البينية أحد أكثر الاستراتيجيات كفاءة لبناء (EEI) مستقر، كما إن التصميم العقلاني للمكونات الكيميائية البينية وتحسين أفلام الإلكتروليت وأفلام (SEI) الاصطناعية التي يمكن أن تتكيف مع البيئات الفيزيائية والكيميائية المختلفة، لذلك قد يؤدي إلى استقرار تشغيل بطارية القطب الكهربائي بشكل فعال.

وأخيراً تعد الهندسة البينية أمراً بالغ الأهمية لمعالجة مشكلات الواجهة، بما في ذلك التشعبات وتطور (SEI) وعدم استقرار الأقطاب الكهربائية المعدنية لتحقيق الجيل التالي من بطاريات تخزين الطاقة ذات الطاقة المحددة العالية والعمر الطويل، وفي هذه الدراسة؛ فإنه يتم تحليل مشكلات الواجهة الخاصة بالقطب الكهربي المعدني بشكل منهجي، كما ويتم توضيح آليات نمو التشعبات وقوانين تطور (SEI) للأقطاب الكهربائية المعدنية، كما تم توضيح العوامل المؤثرة في ثبات السطح البيني للقطب الكهربائي المعدني.