الملح يجعل بطاريات ليثيوم-أيون مقاومة للاشتعال – ترجمة* محمد جواد آل السد ناصر الخضراوي

Flameproofing lithium-ion batteries with salt
(Chris Patrick – بقلم: كريس باتريك)

ملخص المقالة:

ارتفاع درجة حرارة بطاريات الليثيوم-أيون القابلة لإعادة الشحن يرجع إلى أن الإلكترولايت الموجود بداخلها، والذي ينقل أيونات الليثيوم بين القطبين أثناء شحن البطارية وتفريغها، قابل للاشتعال. وقد طورت باحثة في جامعة ستانفورد إلكترولايتًا غير قابل للاشتعال يمكن هذه البطاريات من الاستمرار في العمل في درجات حرارة عالية دون إشعال حريق، وذلك باستخدام “الالكترولايت الغير قابل للاشتعال المثبت بالمذيب” وهو أحد أكثر الإلكترولايتات التي تحتوي على البوليمرات أملاحًا على الإطلاق. وقد اثبت هذا الالكترولايت أنه غير قابل للاشتعال في درجات حرارة عالية أثناء الاختبارات.

( المقالة )

الإلكترولايت المعتمد (القائم) على البوليمر يصنع للبطاريات التي تستمر في العمل – ولا تشتعل فيها النيران – عند تسخينها إلى أكثر من 140 درجة فهرنهايت.

تعمل بطاريات الليثيوم-أيون القابلة لإعادة الشحن على تشغيل الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الشخصية والسيارات الكهربائية، كما أنها تستخدم لتخزين الطاقة الناتجة عن الألواح الشمسية…

ولكن إذا ارتفعت درجة حرارة هذه البطاريات بشكل كبير، فإنها تتوقف عن العمل ويمكن أن تشتعل النيران فيها.  ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الإلكترولايت الموجود بداخلها، والذي ينقل أيونات الليثيوم بين القطبين أثناء شحن البطارية وتفريغها، قابل للاشتعال.

“واحدة من أكبر التحديات في صناعة البطاريات هي مشكلة السلامة هذه، لذلك هناك الكثير من الجهد المبذول في محاولة صنع بطارية إلكترولايت تكون آمنة”، قالت راشيل ز. هوانغ، طالبة الدراسات العليا بجامعة ستانفورد والمؤلفة الأولى لتقرير [A solvent-anchored non-flammable electrolyte: Matter (cell.com)] نشر في 30 نوفمبر في مجلة “المادة” (Matter).

وطورت هوانغ إلكترولايتًا غير قابل للاشتعال لبطاريات الليثيوم-أيون بمشاركة 19 باحثًا آخر في مختبر المسرع الوطني “سلاك” (SLAC) [يطلق عليه في الأصل اسم مركز ستانفورد الخطي المعجل] التابع لوزارة الطاقة، وفي جامعة ستانفورد. وأظهر عملهم أن البطاريات التي تحتوي على هذا الالكترولايت تستمر في العمل في درجات حرارة عالية دون إشعال حريق.

سرهم؟ المزيد من الملح: الالكترولايتية المالحة الغير قابلة للاشتعال المثبتة بالمذيب (Salty SAFEty)

يصنع إلكترولايت بطارية الليثيوم-أيون التقليدية من ملح الليثيوم المذاب في مذيب عضوي سائل، مثل الإثير أو الكربونات. وفي حين يحسن هذا المذيب أداء البطارية من خلال المساعدة في تحريك أيونات الليثيوم، فإنه يمثل أيضًا مشعِل نار محتمل.

وتولد البطاريات حرارة أثناء عملها. وإذا كانت هناك ثقوب أو عيوب في البطارية، فسوف ترتفع درجة حرارتها بسرعة. وعند درجات حرارة أعلى من 140 درجة فهرنهايت، تبدأ جزيئات المذيب الصغيرة في الإلكترولايت بالتبخر، وتتحول من سائل إلى غاز وتنفخ البطارية مثل البالون – حتى يشتعل الغاز ويشتعل كل شيء في النيران.

وعلى مدار الثلاثين عامًا الماضية، طور الباحثون إلكترولايتات غير قابلة للاشتعال، مثل إلكترولايتات البوليمر، والتي تستخدم مصفوفة بوليمر بدلاً من محلول مذيب الملح التقليدي لتحريك الأيونات. ومع ذلك، فإن هذه البدائل الأكثر أمانًا لا تحرك الأيونات بكفاءة كما تفعل المذيبات السائلة، لذلك لم يقاس أداؤها بأداء الإلكترولايتات التقليدية.

وقد أراد الفريق إنتاج إلكترولايت قائم على البوليمر يمكن أن يوفر الأمان والأداء، وكان لدى هوانغ فكرة. فقررت إضافة قدر ما تستطيع من ملح الليثيوم المسمى ليثيوم مكرر (فلوروسلفونيل) إيميد [ليثيوم بيس (فلوروسلفونيل) ايميد] (Lithium bis(fluorosulfonyl)imide – LiFSI) إلى إلكترولايت قائم على البوليمر صممه وصنعه الدكتور جيان-تشينغ لاي، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد والمؤلف الأول المشارك في الورقة البحثية.

وقالت هوانغ: “أردت فقط أن أرى المقدار الذي يمكنني إضافته واختبار الحد الأقصى”. وعادةً ما يكون الملح أقل من 50٪ من وزن الالكترولايت القائم على البوليمر. وقد رفعت هوانغ هذا الرقم إلى 63٪، مُنتجة أحد أكثر الإلكترولايتات التي تحتوي على البوليمرات أملاحًا على الإطلاق.

وعلى عكس الالكترولايتات الأخرى القائمة على البوليمر، يحتوي هذا أيضًا على جزيئات مذيب قابلة للاشتعال. ومع ذلك، فإن الالكترولايت الكلي، المعروف باسم “الالكترولايت الغير قابل للاشتعال المثبت بالمذيب” (Solvent-Anchored non-Flammable Electrolyte (SAFE)))، أثبت أنه غير قابل للاشتعال في درجات حرارة عالية أثناء الاختبارات في بطارية ليثيوم-أيون.

ويعمل “الالكترولايت الغير قابل للاشتعال المثبت بالمذيب” لأن المذيبات والملح يعملان معًا. وتساعد جزيئات المذيب في توصيل الأيونات، مما يؤدي إلى أداء مشابه لأداء البطاريات التي تحتوي على إلكترولايت تقليدي. ولكن بدلاً من الفشل في درجات الحرارة المرتفعة مثل معظم بطاريات الليثيوم-أيون، تستمر البطاريات التي تحتوي على “الالكترولايت الغير قابل للاشتعال المثبت بالمذيب” في العمل في درجات حرارة تتراوح بين 77-212 درجة فهرنهايت. وفي الوقت نفسه، تعمل الأملاح المضافة الوفيرة كمثبتات لجزيئات المذيبات، مما يمنعها من التبخر والاشتعال.

وقال البروفيسور شينان باو، الأستاذ في جامعة ستانفورد والمحقق في معهد ستانفورد لعلوم المواد والطاقة (SIMES) الذي يقدم المشورة لهوانج: “تشير هذه النتيجة الجديدة إلى طريقة جديدة في التفكير لتصميم الإلكتروليت القائم على البوليمر. هذا لإلكترولايت مهم لتطوير بطاريات مستقبلية ذات كثافة طاقة عالية وآمنة”.

البقاء لزجا

يمكن أن تكون الإلكترولايتات القائمة على البوليمر صلبة أو سائلة. والأهم من ذلك، أن المذيبات والملح في “الالكترولايت الغير قابل للاشتعال المثبت بالمذيب” يعملان على تلدين مصفوفة البوليمر الخاصة بها لجعلها سائلًا يشبه المادة اللزجة، تمامًا مثل الإلكترولايت التقليدي.

فائدة واحدة: يمكن أن يتلاءم الإلكترولايت اللزج مع أجزاء بطارية الليثيوم-أيون الموجودة والمتاحة تجاريًا، على عكس الالكترولايتات الأخرى غير القابلة للاشتعال التي ظهرت. فعلى سبيل المثال، يجب أن تستخدم الإلكترولايتات الخزفية ذات الحالة الصلبة أقطابًا كهربائية مصممة خصيصًا، مما يجعل إنتاجها مكلفًا.

وقالت هوانغ: “مع الالكترولايت الغير قابل للاشتعال المثبت بالمذيب، ليست هناك حاجة لتغيير أي من إعدادات التصنيع. بالطبع، إذا تم استخدامه للإنتاج، فهناك تحسينات مطلوبة لكي يتلاءم الالكترولايت مع خط الإنتاج، ولكن العمل أقل بكثير من أي نظام آخر”.

وقال البروفيسور يي كوي، الأستاذ في مختبر المسرع الوطني “سلاك” وجامعة ستانفورد ومحقق معهد ستانفورد لعلوم المواد والطاقة (SIMES) الذي يشرف أيضًا على هوانغ: “إلكترولايت البطارية الجديد المثير هذا متوافق مع تقنية خلية بطارية ليثيوم-أيون الحالية وسيحدث تأثيرات كبيرة على أجهزة المستهلك الإلكترونية والنقل الكهربائي”. وقد يكون أحد تطبيقات “الالكترولايت الغير قابل للاشتعال المثبت بالمذيب” في السيارات الكهربائية.

وإذا كانت بطاريات الليثيوم-أيون المتعددة في السيارة الكهربائية قريبة جدًا من بعضها البعض، فيمكنها تسخين بعضها البعض، مما قد يؤدي في النهاية إلى ارتفاع درجة الحرارة واشتعال النار. ولكن، إذا كانت السيارة الكهربائية تحتوي على بطاريات مملوءة بمحلول إلكترولايت مثل “الالكترولايت الغير قابل للاشتعال المثبت بالمذيب” الذي يكون مستقرًا في درجات حرارة عالية، فيمكن تجميع (تكويم) بطارياتها بالقرب من بعضها البعض دون القلق من ارتفاع درجة الحرارة.

وبالإضافة إلى التخفيف من مخاطر الحريق، فإن هذا يعني مساحة أقل تشغلها أنظمة التبريد ومساحة أكبر للبطاريات. وتؤدي زيادة البطاريات إلى زيادة كثافة الطاقة الإجمالية، مما يعني أن السيارة قد تستغرق وقتًا أطول بين الشحن.

وقالت هوانغ “لذلك فهي ليست مجرد ميزة تتعلق بالسلامة. هذا الالكترولايت يمكن أن يسمح لك أيضًا بتجميع المزيد من البطاريات”. وسيحدد الوقت ما الذي يمكن أن تحصل عليه المنتجات الأخرى التي تعمل بالبطاريات بشكل أكثر أمانًا.

*تمت الترجمة بتصرف

تم تمويل هذا البحث من قبل مكتب “كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة” التابع لوزارة الطاقة في إطار برنامج أبحاث مواد البطاريات واتحاد البطارية 500.

الاقتباس: هوانغ وآخرون، مجلة “المادة” (Matter)، 30 تشرين الثاني (نوفمبر) 2022 (10.1016 / j.matt.2022.11.003)

A solvent-anchored non-flammable electrolyte: Matter (cell.com)

المصدر:

Flameproofing lithium-ion batteries with salt | SLAC National Accelerator Laboratory (stanford.edu)