واكتشف علماء في مختبر أرغان الوطني نوعا من إلكتروليت الفلورايد الذي يعمل على تحسين أداء بطاريات الجيل التالي بما يتجاوز ليثيوم أيون. يزيد هذا المنحل بالكهرباء الجديد من كثافة الطاقة، ويطيل عمر البطارية، ومن المحتمل أن يحدث ثورة في صناعة السيارات الكهربائية. كما يمهد هذا المنحل بالكهرباء المفلور الجديد الطريق لبطاريات عالية الأداء وطويلة الأمد.
تحتوي العديد من معاجين الأسنان على فلوريد الصوديوم، وهو مركب من الفلور، لحماية الأسنان من التسوس. ومع ذلك، فإن المركبات التي تحتوي على الفلور لها استخدامات أخرى غير متوقعة. وحدد الباحثون في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية إلكتروليت الفلورايد الذي يمكن أن يمنع البطاريات المستقبلية من التدهور.
يقول قائد مجموعة الأبحاث في قسم الهندسة الكيميائية والعلوم في أرجون: “هناك جيل جديد مثير من أنواع البطاريات للسيارات الكهربائية بخلاف بطاريات الليثيوم أيون في الطريق”. وتوفر التركيبات الكيميائية للبطاريات غير الليثيوم أيون ضعفين أو أكثر من الطاقة المخزنة في حجم أو وزن معين مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون.
ويمكن لهذه البطاريات أن توفر الطاقة التي تحتاجها السيارات لمسافات أطول، بل وهناك احتمال لتزويد الشاحنات والطائرات بالوقود لرحلات أطول في المستقبل. ومن المتوقع أن يساعد الاستخدام الواسع النطاق لهذه البطاريات في حل مشكلة تغير المناخ. ولكن هناك مشكلة رئيسية واحدة: كثافة الطاقة العالية الخاصة بها تتدهور بسرعة مع الشحن والتفريغ المتكرر.
أحد المتنافسين الرئيسيين على البطاريات القوية لديه أنود (قطب سلبي) مصنوع من معدن الليثيوم بدلاً من الجرافيت، والذي يستخدم عادة في بطاريات أيونات الليثيوم، ومن هنا جاء اسم “معدن الليثيوم”. الكاثود (القطب الموجب) هو أكسيد معدني يحتوي على النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC). وفي حين أنه يمكن تخزين أكثر من ضعف كثافة الطاقة الممكنة باستخدام بطارية ليثيوم أيون، فإن هذا الأداء الفائق يتبدد بسرعة في أقل من مائة دورة شحن وتفريغ.
ورأى العلماء الحل في تغيير المنحل بالكهرباء؛ بسائل تنتقل من خلاله أيونات الليثيوم بين الكاثود والأنود للشحن والتفريغ.
في بطاريات معدن الليثيوم، يكون المنحل بالكهرباء عبارة عن سائل يتكون من ملح يحتوي على الليثيوم المذاب في مذيب. أصل مشكلة دورة الحياة القصيرة هو أن المنحل بالكهرباء لا يشكل طبقة واقية كافية على سطح الأنود خلال الدورات القليلة الأولى.
تعمل هذه الطبقة، والتي تسمى أيضًا مرحلة الإلكتروليت الصلب المتوسط (SEI)، بمثابة درع، ما يسمح لأيونات الليثيوم بالمرور بحرية عبر الأنود وشحن البطارية وتفريغها، على التوالي. واكتشفت المجموعة مذيبًا جديدًا للفلورايد يحافظ على طبقة واقية قوية لمئات الدورات. إنه يزاوج مكونًا مفلورًا موجب الشحنة (كاتيون) مع مكون مفلور مختلف سالب الشحنة (أنيون). وهذا المزيج هو ما يسميه العلماء بالسائل الأيوني؛ سائل يتكون من الأيونات الموجبة والسالبة.
وقال خبير في هذا المجال: “يمكن لبطاريات معدن الليثيوم مع إلكتروليت الكاتيون المفلور أن تحدث ثورة كبيرة في صناعة السيارات الكهربائية، وسوف تمتد فوائد هذا المنحل بالكهرباء بلا شك إلى أنواع أخرى من أنظمة البطاريات المتقدمة بخلاف أيون الليثيوم”.
