بغض النظر عن الأداء أو التكلفة أو اعتبارات السلامة، فإن البطاريات القابلة لإعادة الشحن ذات الحالة الصلبة بالكامل هي الخيار الأفضل لاستبدال الطاقة الأحفورية وتحقيق الطريق في نهاية المطاف إلى مركبات الطاقة الجديدة.
وباعتباره مخترع المواد الكاثودية مثل LiCoO2 وLiMn2O4 وLiFePO4، فإن Goodenough معروف جيدًا في مجالبطاريات الليثيوم أيونوهو حقًا "أبو بطاريات الليثيوم أيون".
في مقال نشر مؤخرًا في NatureElectronics، يستعرض جون ب. جوديناف، البالغ من العمر 96 عامًا، تاريخ اختراع بطارية الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن ويوضح الطريق إلى الأمام.
في السبعينيات، اندلعت أزمة النفط في الولايات المتحدة.وإدراكًا لاعتمادها المفرط على واردات النفط، بدأت الحكومة جهدًا كبيرًا لتطوير الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.ونظراً للطبيعة المتقطعة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح،بطاريات قابلة للشحنكانت هناك حاجة في نهاية المطاف لتخزين مصادر الطاقة المتجددة والنظيفة هذه.
إن مفتاح الشحن والتفريغ العكسي هو عكس التفاعل الكيميائي!
في ذلك الوقت، كانت معظم البطاريات غير القابلة لإعادة الشحن تستخدم أقطاب الليثيوم السالبة والإلكتروليتات العضوية.من أجل إنتاج بطاريات قابلة لإعادة الشحن، بدأ الجميع العمل على التضمين العكسي لأيونات الليثيوم في كاثودات كبريتيد الفلز الانتقالي ذات الطبقات.اكتشف ستانلي ويتنجهام من شركة إكسون موبيل أنه يمكن تحقيق الشحن والتفريغ العكسي عن طريق كيمياء الإقحام باستخدام طبقات TiS2 كمادة الكاثود، مع كون منتج التفريغ هو LiTiS2.
وقد حققت هذه الخلية، التي طورها ويتنغهام في عام 1976، كفاءة أولية جيدة.ومع ذلك، بعد عدة تكرارات للشحن والتفريغ، تشكلت شجيرات الليثيوم داخل الخلية، والتي نمت من القطب السالب إلى القطب الموجب، مما أدى إلى إنشاء دائرة كهربائية قصيرة يمكن أن تشعل المنحل بالكهرباء.وهذه المحاولة انتهت مرة أخرى بالفشل!
في هذه الأثناء، كان جوديناف، الذي انتقل إلى أكسفورد، يدرس كمية الليثيوم التي يمكن فصلها على الأكثر من طبقات الكاثود LiCoO2 وLiNiO2 قبل تغيير الهيكل.وفي النهاية، تمكنوا من إزالة التضمين العكسي لأكثر من نصف الليثيوم من مادة الكاثود.
أدى هذا البحث في النهاية إلى توجيه أكيرا يوشينو من AsahiKasei لإعداد الأولبطارية ليثيوم أيون قابلة للشحن: LiCoO2 كالقطب الموجب والكربون الغرافيتي كالقطب السالب.تم استخدام هذه البطارية بنجاح في الهواتف المحمولة الأولى من سوني.
من أجل خفض التكلفة وتحسين السلامة.يبدو أن البطارية الصلبة القابلة لإعادة الشحن والتي تحتوي على مادة صلبة مثل المنحل بالكهرباء تمثل اتجاهًا مهمًا للتطوير المستقبلي.
في وقت مبكر من ستينيات القرن العشرين، عمل الكيميائيون الأوروبيون على التضمين العكسي لأيونات الليثيوم في طبقات من مواد كبريتيد الفلز الانتقالي.في ذلك الوقت، كانت الإلكتروليتات القياسية للبطاريات القابلة لإعادة الشحن عبارة عن إلكتروليتات مائية حمضية وقلوية قوية مثل H2SO4 أو KOH.لأنه في هذه الإلكتروليتات المائية، يتمتع H+ بانتشارية جيدة.
في ذلك الوقت، تم تصنيع البطاريات القابلة لإعادة الشحن الأكثر استقرارًا باستخدام طبقات NiOOH كمادة الكاثود وإلكتروليت مائي قلوي قوي مثل الإلكتروليت.يمكن دمج h+ بشكل عكسي في كاثود NiOOH ذو الطبقات لتكوين Ni(OH)2.كانت المشكلة هي أن الإلكتروليت المائي يحد من جهد البطارية، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة الطاقة.
في عام 1967، اكتشف جوزيف كومر ونيل ويبر من شركة فورد للسيارات أن Na + له خصائص انتشار جيدة في إلكتروليتات السيراميك فوق 300 درجة مئوية.ثم اخترعوا بطارية Na-S قابلة لإعادة الشحن: الصوديوم المنصهر كقطب سلبي والكبريت المنصهر الذي يحتوي على أشرطة كربون كقطب موجب.ونتيجة لذلك، اخترعوا بطارية Na-S قابلة لإعادة الشحن: الصوديوم المنصهر كقطب سالب، والكبريت المنصهر الذي يحتوي على شريط كربون كقطب موجب، والسيراميك الصلب مثل المنحل بالكهرباء.ومع ذلك، فإن درجة حرارة التشغيل البالغة 300 درجة مئوية جعلت من المستحيل تسويق هذه البطارية.
في عام 1986، حقق جوديناف بطارية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن ذات الحالة الصلبة بالكامل دون توليد التشعبات باستخدام NASICON.حاليًا، تم تسويق بطاريات الليثيوم والصوديوم ذات الحالة الصلبة القابلة لإعادة الشحن والتي تعتمد على إلكتروليتات الحالة الصلبة مثل NASICON.
في عام 2015، أظهرت ماريا هيلينا براغا من جامعة بورتو أيضًا إلكتروليتًا صلبًا من أكسيد مسامي عازل مع موصلية أيونات الليثيوم والصوديوم مماثلة للإلكتروليتات العضوية المستخدمة حاليًا في بطاريات أيونات الليثيوم.
باختصار، بغض النظر عن الأداء أو التكلفة أو اعتبارات السلامة، فإن البطاريات القابلة لإعادة الشحن ذات الحالة الصلبة بالكامل هي الخيار الأفضل لاستبدال الطاقة الأحفورية وتحقيق الطريق في نهاية المطاف إلى مركبات الطاقة الجديدة!
وقت النشر: 25 أغسطس 2022