جامعة ناغويا اليابانية تسجّل رقمًا قياسيًا في توصيلية إلكتروليت أكسيد الفلوريد بـ 16.3 ملي سيمنز/سم

أخبار ar.wedoany.com، كشف فريق الأستاذ المشارك تاكيشي ياجيما في معهد تصميم المواد وهندسة الابتكار بجامعة ناغويا اليابانية عن الآلية الكامنة وراء التوصيلية العالية للإلكتروليت الصلب الأكسيدي الفلوري LLNOF، وتمكن من رفع التوصيلية الأيونية للليثيوم في الحجم الداخلي للمادة إلى 16.3 ملي سيمنز/سم عبر تعديل نسب الليثيوم واللانثانوم والفراغات في المادة، مسجلاً بذلك أعلى قيمة تُقاس حتى الآن لإلكتروليت صلب قائم على الأكاسيد.

يُطلب من المسافرين عند إنهاء إجراءات السفر التأكيد على عدم احتواء أمتعتهم المسجَّلة على شواحن محمولة أو بطاريات متنقلة، ويعود السبب إلى أن بطاريات أيون الليثيوم المستخدمة في هذه الأجهزة تعتمد على إلكتروليت سائل قابل للاشتعال لنقل أيونات الليثيوم بين الأقطاب، وإذا تعرضت البطارية للتلف، فقد يتسبب الإلكتروليت السائل في نشوب حريق. ويُعد استبدال الإلكتروليت السائل بإلكتروليت صلب أحد اتجاهات الأبحاث الرامية إلى الحد من هذه المخاطر، ويتمثل التحدي الرئيسي في رفع التوصيلية الأيونية، أي مدى سلاسة انتقال أيونات الليثيوم داخل الإلكتروليت الصلب.

تعتمد بعض الإلكتروليتات الصلبة عالية التوصيلية حاليًا على مواد الكبريتيدات أو الكلوريدات، وتنبع توصيليتها من تشوه السحابة الإلكترونية حول الأنيونات عند مرور أيونات الليثيوم عبر المادة، غير أن هذه المواد تنبعث منها غازات سامة مثل كبريتيد الهيدروجين وكلوريد الهيدروجين عند تعرضها للرطوبة. وفي المقابل، تُعد الأكاسيد وأكاسيد الفلوريد أكثر صلابة، وتتمتع بثبات كهروكيميائي أعلى عند استخدامها كإلكتروليتات، وقادرة على تحمل تقلبات الجهد المتكررة أثناء دورات الشحن والتفريغ، إلا أن توصيليتها عادة ما تكون منخفضة. وكان ياجيما قد لخّص هذه المفارقة سابقًا بالقول: إن أكاسيد الفلوريد أكثر أمانًا لكن توصيليتها منخفضة، بينما الكبريتيدات عالية التوصيلية لكنها تنطوي على مخاطر.

في عام 2024، تم اكتشاف بلورة أكسيد الفلوريد ذات الصيغة الكيميائية Li₂–xLa(1+x)/3Nb₂O₆F (المختصرة بـ LLNOF)، وبلغت توصيليتها 7 ملي سيمنز/سم، وهو مستوى يمكن مقارنته بالإلكتروليتات السائلة. ولم تكن هذه النتيجة قابلة للتفسير في ذلك الوقت بالآليات المعروفة: فالسحابة الإلكترونية حول أيون الفلوريد المركزي في LLNOF ليست سهلة التشوه كما هو الحال في الكبريتيدات أو الكلوريدات. وقام فريق ياجيما بعد ذلك بزراعة بلورات مفردة عالية الجودة من LLNOF بأنفسهم، وقد استغرق هذه المرحلة أكثر من عام، إذ يجب أن تكون جودة البلورة عالية بما يكفي لإجراء التحليل البنيوي.

اعتمد الفريق على طريقة بريدجمان لزراعة بلورات مفردة من LLNOF بحجم مليمتري، وحددوا الترتيب الموضعي وإعادة الترتيب للذرات داخل خلية الوحدة من خلال حيود البلورة المفردة. وأظهرت النتائج وجود أربعة مواقع ذرية حول أيون الفلوريد المركزي مرتبة بشكل رباعي السطوح، ويمكن لكل موقع أن يستوعب أيون ليثيوم واحدًا أو ذرة لانثانوم واحدة أو أن يكون في حالة فراغ. وعندما يقفز أيون الليثيوم إلى فراغ مجاور، يزاح أيون الفلوريد المركزي قليلاً نحو الموقع الذي كان يشغله أيون الليثيوم سابقًا، وكأنه يقوم بحركة "مراوغة"، مما يخفض حاجز الطاقة الذي يجب أن يتجاوزه أيون الليثيوم أثناء القفز. وبالمقارنة مع أكاسيد الفلوريد التي تحافظ على صلابة هيكلها، فإن هذه الآلية الديناميكية تمنح LLNOF توصيلية أعلى لأيونات الليثيوم.

قام الباحثون بعد ذلك بتعديل التركيب الأمثل عبر تغيير النسب النسبية لليثيوم واللانثانوم والفراغات في LLNOF (أي قيمة x في الصيغة الكيميائية)، ووجدوا أنه كلما صغرت قيمة x ارتفعت التوصيلية، وصولاً في النهاية إلى توصيلية أيونية للليثيوم في الحجم الداخلي تبلغ 16.3 ملي سيمنز/سم. وقد نُشرت هذه النتيجة في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية (Journal of the American Chemical Society). ويرى ياجيما أن هذه الآلية التي لا تعتمد على الأيونات عالية الاستقطاب يمكن استخدامها لتطوير إلكتروليتات صلبة أكثر كفاءة قائمة على الأكاسيد؛ وكان الرأي السائد سابقًا في الصناعة أن المواد القائمة على الكبريتيدات ستكون موصلات أفضل نظرًا لخصائص أنيوناتها، وتشكل هذه الآلية تحديًا لذلك الرأي. وأشار الفريق البحثي إلى أن هذه النتيجة تمثل خطوة إلى الأمام نحو تحقيق التطبيق العملي لبطاريات الليثيوم الصلبة.