طور باحثون في جامعة أركنساس الأمريكية تقنية طلاء نانوية جديدة يمكنها تحسين أداء دورة حياة بطاريات الليثيوم أيون بشكل فعال. قاد هذه الدراسة هنري منغ، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية بجامعة أركنساس، وقد نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة "Small".

ركز فريق البحث على مواد الكاثود المعدنية المؤكسدة ذات البنية الطبقية، وخاصة أكسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت المعروف باسم NMC811. يجذب هذا المادة الاهتمام بسبب تكلفته المنخفضة وكثافة طاقته العالية، لكنه يطلق الأكسجين أثناء دورات الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى تدهور أداء البطارية، وقد ينتج غازات ومنتجات ثانوية بسبب أكسدة الإلكتروليت، بل وقد يشكل مخاطر أمان.

لحل هذه المشكلة، قام الباحثون بتطبيق طلاء من كبريتيد الزركونيوم بسمك نانومترين فقط على كاثود NMC811 المُعد مسبقًا باستخدام تقنية ترسيب الطبقة الذرية. أظهرت التجارب أن هذا الطلاء الكبريتيدي يتحول في الموقع أثناء تشغيل البطارية إلى كبريتات (يتحول ZrS₂ إلى Zr(SO₄)₂)، ويمكن لعملية التحول هذه أن تلتقط الأكسجين المنطلق من الكاثود بشكل فعال، وتحمي إلكتروليت البطارية من التحلل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للطلاء الكبريتاتي المتكون أن يثبط التفاعلات الجانبية الضارة، ويستقر واجهة الكاثود والإلكتروليت، ويقلل من التشققات الدقيقة، ويحافظ على استقرار بنية الكاثود.

أظهرت نتائج اختبارات الأداء أن كاثود NMC811 العاري غير المطلي يمكنه الحفاظ على حوالي 200 دورة فقط، بينما مع استخدام الطلاء الكبريتيدي، تحسن أداء دورته إلى أكثر من 1000 دورة. بعد 1300 دورة، تمكنت البطارية من الحفاظ على 60٪ من سعة الشحن.

قال منغ إن الكبريتيدات هي فئة جديدة من مواد الطلاء، يمكنها التحول في الموقع داخل البطارية إلى كبريتات، مشكلة طبقة حماية "قوية ونظيفة ومقاومة للأكسدة". حتى الآن، قام فريقه بالتحقق من تأثير تحول أنواع متعددة من الكبريتيدات (مثل Li₂S، ZrS₂، Al₂S₃، ZnS، و Cu₂S)، وما زالت الأبحاث ذات الصلة مستمرة.

تعمق هذه الدراسة فهم هندسة الواجهات، وتفتح مسارًا تقنيًا جديدًا للتطبيق التجاري لكاثود NMC811. يمكن تطبيق هذه التقنية في المستقبل على كاثودات البطاريات في أجهزة مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، لإطالة عمرها الافتراضي وتحسين سلامتها.

المؤلف الأول للورقة البحثية هو طالب الدكتوراه كيفين فيلاسكيز من مختبر منغ للنانو والطاقة، والذي أكمل اختبارات طلاء الكاثود باستخدام خلايا زر في المختبر. تضمن المؤلفون المشاركون أيضًا باحثين من جامعة أركنساس، وجامعة أركنساس في ليتل روك، ومختبر أرغون الوطني. كشف منغ أن العديد من شركات التكنولوجيا الكبرى أبدت اهتمامًا بنتائج البحث وتخطط للتعاون مع مختبر أرغون الوطني لاختبار تقنية الطلاء هذه على أنواع مختلفة من البطاريات بشكل أكبر.