فريق بحثي صيني يطور إلكتروليتًا جديدًا يحقق اختراقًا أساسيًا في تقنية بطاريات الليثيوم

نشر فريق بحثي مكون من باحثين من معهد 811 التابع للأكاديمية الثامنة لمجموعة علوم وتكنولوجيا الفضاء الصينية وجامعة نانكاي مؤخرًا في المجلة الأكاديمية العالمية الرائدة "نيتشر" إنجازًا مبتكرًا في تكنولوجيا إلكتروليت بطاريات الليثيوم: حيث نجحوا في تطوير إلكتروليت هيدروكربوني فلوري لبطاريات عالية الكثافة الطاقية وذات أداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة. يُمثل هذا علامةً على تحقيق الصين اختراقًا جديدًا في التقنيات الأساسية لبطاريات الليثيوم، ومن المتوقع أن يؤدي إلى مضاعفة قدرة التحمل لبطاريات الليثيوم الحالية، كما ستعزز بشكل ملحوظ أداءها في درجات الحرارة المنخفضة.

القدرة على العمل الطبيعي حتى عند درجة حرارة -70°م

أوضح الباحث لي يونغ من معهد 811 أن كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم المتاحة حاليًا في السوق تبلغ حوالي 300 واط/كيلوغرام في درجة حرارة الغرفة. في بيئة تبلغ درجة حرارتها -20°م، تنخفض كثافة الطاقة بشكل حاد إلى أقل من 150 واط/كيلوغرام. بينما تتيح نتائج هذا البحث الاختراقي أن تزيد كثافة الطاقة لبطارية الليثيوم عن 700 واط/كيلوغرام في درجة حرارة الغرفة، وأن تصل إلى حوالي 400 واط/كيلوغرام في بيئة تبلغ حرارتها -50°م.

قال لي يونغ: "ببساطة، يمكن لبطارية الليثيوم بنفس الكتلة أن تزيد قدرة تخزين الكهرباء بمقدار 2 إلى 3 مرات أو أكثر في درجة حرارة الغرفة، مما يزيد قدرة التحمل للسيارات الكهربائية من 500-600 كيلومتر إلى 1000 كيلومتر أو أكثر، كما يمكنها العمل بشكل طبيعي حتى في درجات الحرارة المنخفضة القصوى التي تصل إلى -70°م."

حل مشكلة تؤرق الصناعة

بصفتها مكونًا رئيسيًا يربط القطب الموجب والقطب السالب لبطارية الليثيوم، تلعب الإلكتروليتات دورًا في توصيل الأيونات داخل البطارية، فهي بمثابة "طريق سريع" بين القطب الموجب والقطب السالب، ولها أهمية حاسمة في كفاءة الطاقة للبطارية، واستقرار عملها، وتكيفها مع درجات الحرارة.

كانت المذيبات الإلكتروليتية التقليدية تعتمد بشكل أساسي على الروابط القائمة على الأكسجين (O) والنيتروجين (N). تتمثل مزاياها في قدرتها العالية على إذابة أملاح الليثيوم، ولكنها في نفس الوقت تحد من نقل الشحنة، مما يجعل من الصعب زيادة كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم بشكل أكبر، كما تحد من أدائها في درجات الحرارة المنخفضة.

توجه الباحثون بنظرهم نحو عنصر الفلور، الذي يقع في نفس دورة عنصر الأكسجين، ومن خلال سنوات من العمل التقني الجاد، طوروا نموذجًا جديدًا لبحث الإلكتروليتات عالية الأداء: حيث تخطوا مشاكل مثل عدم قدرة الفلور (F) على إذابة أملاح الليثيوم، واصطنعوا مذيبًا إلكتروليتيًا جديدًا يحتوي على ألكان أحادي الفلورة. خفض هذا المذيب بشكل فعال لزوجة الإلكتروليت، ورفع ثباته التأكسدي والتوصيلية الأيونية في درجات الحرارة المنخفضة، مما حسن أداء إخراج الطاقة في درجات الحرارة المنخفضة لبطاريات الليثيوم عالية الكثافة الطاقية. في هذا البحث، تولى معهد 811 بشكل أساسي مهام البحث الأساسية مثل تحسين الإلكتروليت، والتطوير الأمامي لأجهزة البطاريات عالية النسبة الطاقية، وتحسين العمليات الديناميكية للواجهات، والتحقق من الأداء في ظروف التشغيل الفعلية، مما يظهر بشكل كامل قدراته الصلبة وموقعه الريادي في مجال تكنولوجيا الطاقة المتقدمة.

مستقبل جديد للتحول الطاقي

لا يقتصر اختراق هذا البحث على المختبر فقط، فآفاقه التطبيقية الواسعة ترسم لنا مستقبلًا جديدًا للتحول الطاقي.

في مجال التقنيات العالية، يمكنه أن يوفر ضمانًا طاقيًا أكثر موثوقية للأجهزة مثل المركبات الفضائية في بيئات الفضاء العميق شديدة البرودة، ويمكنه أن يجلب وقت تحمل أطول وقدرة تحميل أقوى للطائرات بدون طيار وأنواع مختلفة من الروبوتات الذكية. في الحياة اليومية، سيزيل العقبات الرئيسية أمام الجيل القادم من البطاريات للسيارات الكهربائية والهواتف المحمولة، ومن المتوقع أن يحقق قفزة نوعية في مدى تحمل السيارات الكهربائية ووقت الاستعداد للهواتف المحمولة في بيئات درجات الحرارة المنخفضة، مما يحل مشاكل "قلق قدرة تخزين الكهرباء" و"قلق التكيف مع درجة الحرارة" للبطاريات، ويوفر إمكانيات لا حصر لها لمستقبل طاقي أكثر قدرة وأمانًا.