لا يزال تثبيت الطور البيني للإلكتروليت الصلب (SEI) يُمثل تحديًا رئيسيًا لأنودات بطاريات الليثيوم أيون القائمة على السيليكون. وقد برزت عملية خلط السيليكون مع عناصر ثانوية مثل البورون كاستراتيجية واعدة لتحسين دورة حياة أنودات السيليكون، إلا أن الآلية الكامنة وراء ذلك لا تزال غير واضحة. ولسد هذه الفجوة المعرفية، يُجرى بحث منهجي في كيفية تأثير تركيز البورون على أداء البطارية. تُظهر هذه النتائج زيادة شبه رتيبة في دورة حياة البطارية مع ارتفاع محتوى البورون، حيث تتفوق الأقطاب الكهربائية الغنية بالبورون بشكل ملحوظ على السيليكون النقي. بالإضافة إلى ذلك، تتميز أنودات سبائك السيليكون والبورون بعمر افتراضي أطول بثلاث مرات تقريبًا من السيليكون النقي. ومن خلال تحليل ميكانيكي مُفصل، يتم استبعاد العوامل المساهمة البديلة بشكل منهجي، ويُقترح أن تحسين التخميل ينشأ من ثنائي قطب قوي ودائم على سطح الجسيمات النانوية. يُشكل هذا الثنائي القطب، المُكوّن من بورون ذي حموضة لويس العالية وغير المُنسقة، طبقة ساكنة كثيفة الأيونات تُثبّت الواجهة الكهروكيميائية، مما يُقلل من تحلل الإلكتروليت الطفيلي ويُعزز الاستقرار طويل الأمد. تشير هذه النتائج إلى أن الطبقة الكهربائية المزدوجة، ضمن إطار SEI، تُعدّ عاملاً مهماً في عملية التخميل السطحي. وتوفر هذه الرؤية مجالاً لم يُستكشف بعدُ لتحسين أنودات السيليكون في بطاريات أيونات الليثيوم من الجيل التالي.
ملاحظة المحرر: تُعدّ بطاريات الصوديوم-الفلز مهمة لتخزين الطاقة على نطاق واسع وللأجهزة الإلكترونية المحمولة، كونها جهاز تخزين طاقة يتميز بكثافة طاقة عالية وتكلفة منخفضة. ومع ذلك، فإن أداء الإلكتروليت وSEI يحدّ من عمر دورة بطاريات الصوديوم-الفلز ومعدل شحنها/تفريغها. كيف يُحدث LiTFSI فرقًا في بطاريات الصوديوم-الفلز؟ إليك مثال. بفضل بحث خاص أجراه فريق شوانغ وان.
خلاصة
يُعدّ بناء طور بيني إلكتروليت صلب (SEI) غني بالمواد غير العضوية ومتين، أحد الأساليب الأساسية لتحسين الأداء الكهروكيميائي لبطاريات فلز الصوديوم. ومع ذلك، فإنّ انخفاض موصلية وتوزيع المواد غير العضوية الشائعة في SEI يُعيق انتشار أيونات الصوديوم (Na+) ويُحفّز ترسبًا غير منتظم للصوديوم. في هذا البحث، نُنشئ طورًا بينيًا إلكتروليتيًا صلبًا فريدًا بمواد غير عضوية عالية الموصلية وموزعة بالتساوي، وذلك بإدخال LiTFSI ذاتي التضحية في إلكتروليت كربونات الصوديوم القاعدي الملحي. يُسهّل تأثير التنافس الاختزالي بين LiTFSI وFEC تكوين SEI بمواد غير عضوية موزعة بالتساوي. حيث يُوفّر Li3N عالي الموصلية والمواد غير العضوية مجالات نقل أيونات سريعة ومواقع نواة عالية التدفق لـ Na+، مما يُساعد على ترسيب الصوديوم بسرعة وبمعدلات عالية. لذلك، يُمكّن مُركّب SEI المُشتق من LiTFSI وFEC خلية Na∥Na3V2(PO4)3 من إظهار احتفاظ بالسعة بنسبة 89.15% (87.62 مللي أمبير زئبق-1) بمعدل فائق الارتفاع يبلغ 60 درجة مئوية بعد 10,000 دورة، بينما تُحقق الخلية بدون LiTFSI احتفاظًا بالسعة بنسبة 48.44% فقط حتى بعد 8,000 دورة. علاوة على ذلك، تُقدّم خلية الجيب Na∥Na3V2(PO4)3 المُزوّدة بـ SEI الخاص احتفاظًا ثابتًا بالسعة بنسبة 92.05% عند 10 درجات مئوية بعد 2,000 دورة. يُوضّح تصميم SEI الفريد هذا استراتيجية جديدة لدفع الشركات الصغيرة والمتوسطة للعمل في ظروف عالية السرعة للغاية.
ملاحظة المحرر: كيف يُسهم LiTFSI، CAS: 90076-65-6، في تطوير بطاريات ليثيوم صلبة بالكامل قائمة على الكبريتيد؟ إليكم مثالًا. بفضل البحث المتميز لفريق فانجيانج ليو.
خلاصة
يمكن أن يؤدي ضيق النافذة الكهروكيميائية لإلكتروليتات الكبريتيد إلى آليات فشل مختلفة عند واجهات جانبي الكاثود والأنود. إن إدخال استراتيجيات تعديل مميزة لجوانب الكاثود والأنود يزيد من تعقيد عملية تصنيع بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بالكامل (ASSLBs) القائمة على الكبريتيد. في هذا العمل، استُخدمت استراتيجية تعديل متكاملة من خلال إدخال أغلفة ليثيوم ثنائي (ثلاثي فلورو الميثان سلفونيل) إيميد (LiTFSI) أثناء عملية التكرير الرطب لـ Li6PS5Cl (LPSC)، والتي نجحت في بناء واجهات مفلورة متينة في الموقع على جانبي الكاثود والأنود في آنٍ واحد. على جانب أنود الليثيوم، أدى انخفاض الموصلية الإلكترونية لـ LiTFSI@LPSC وتوليد الواجهة المفلورة إلى تثبيط نمو شجيرات الليثيوم بشكل فعال، وهو ما أكدته حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). نتيجةً لذلك، حققت خلية Li|LiTFSI@LPSC|Li كثافة تيار حرجة تصل إلى 1.6 مللي أمبير/سم² وأداءً ثابتًا للدورة لأكثر من 1500 ساعة عند 0.2 مللي أمبير/سم². على جانب الكاثود، لم يُحسّن LiTFSI@LPSC نقل Li+ داخل الكاثود المركب فحسب، بل حسّن أيضًا غلاف LiTFSI المتحلل في الموقع إلى طور بيني إلكتروليتي (CEI) قائم على LiF. حقق الاحتفاظ بالسعة 98.6% بعد 500 دورة عند 2 درجة مئوية مع LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2 (NCM83) عند جهد قطع عالٍ يبلغ 4.6 فولت. يُسهّل LiTFSI@LPSC الوظيفي تعديل الواجهة الشامل والمتكامل لكل من جانبي الأنود والكاثود، مما يُبسّط بشكل كبير هندسة الواجهة في ASSLBs القائمة على الكبريتيد مع تقديم أداء كهروكيميائي استثنائي.
ثنائي (ثلاثي فلورو الميثان سلفونيل) إيميد الليثيوم (LiTFSI)، ذو الصيغة الجزيئية الكيميائية C2F6LiNO4S2، هو مادة عضوية بلورية بيضاء أو مسحوقة ذات ثبات كهروكيميائي وحراري عالي. يُستخدم LiTFSI، كمُضاف إلكتروليت، في أنظمة بطاريات متنوعة، مثل بطاريات الليثيوم الأساسية والثانوية وبطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة.
يُعرف ثنائي (ثلاثي فلورو ميثيل سلفونيل) إيميد الليثيوم (LiTFSI)، وهو مكون رئيسي في إلكتروليت بطاريات أيونات الليثيوم، باستقراره الحراري والكهربائي الممتاز. بفضل تركيبته الجزيئية الفريدة، يُكوّن ملح الليثيوم هذا شبكة أنيونية صلبة داخل الإلكتروليت، مما يُقلل لزوجة المحلول بشكل كبير، ويزيد أيضًا من سرعة نقل أيونات الليثيوم بشكل كبير. تُترجم هذه الخاصية مباشرةً إلى كفاءة عالية في عملية شحن وتفريغ البطارية، مما يجعل LiTFSI مثاليًا لتحسين الأداء العام لبطاريات أيونات الليثيوم. يُظهر LiTFSI إمكانات كبيرة، لا سيما في مجال البحث والتطوير في مجال بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر أداءً إيجابيًا للغاية في أبحاث بطاريات فلز الصوديوم (SMBs)، ومن المتوقع أن يُسهم في دفع عجلة الابتكار في تكنولوجيا البطاريات. ومع ذلك، فإن استقرار أداء LiTFSI في البيئات المعقدة والمنهجية يُمثلان القضايا المُلحة التي يتعين حلها في البحث الحالي.
بدأ استخدام إيميد الليثيوم ثنائي (ثلاثي فلورو ميثيل سلفونيل) (LiTFSI) بكميات كبيرة في أنواع جديدة من البطاريات، مثل بطاريات أيون الليثيوم ذات الحالة الصلبة، بما في ذلك بطاريات البوليمر ذات الحالة الصلبة، وبطاريات الكبريتيد ذات الحالة الصلبة، وبطاريات الأكسيد ذات الحالة الصلبة. وقد ثبتت فائدة LiTFSI في تحسين أداء البطاريات، بما في ذلك دوره في حماية الأنود، وتسهيل الشحن السريع، وتعزيز الأداء العالي في نطاق واسع من درجات الحرارة. يُعد إيميد الليثيوم ثنائي (ثلاثي فلورو ميثان سلفونيل) أحد أهم إضافات الإلكتروليت لبطاريات الليثيوم، حيث يُحسّن الاستقرار الكهروكيميائي، وأداء الدورة، وموصلية الإلكتروليت، كما يُقلل من تأثيره التآكلي على رقائق الألومنيوم عند الجهد العالي، مما يُتيح زيادة كثافة طاقة البطاريات في صناعة المركبات الكهربائية.
في 15 يوليو 2024، أصدرت اللجنة الوطنية للتنمية والإصلاح (NDRC) والإدارة الوطنية للطاقة (NEA) "برنامج التحول منخفض الكربون وبناء محطات الطاقة التي تعمل بالفحم (2024-2027)"، والذي ينص على ما يلي: بحلول عام 2025 سيتم البدء في مشاريع التحول منخفض الكربون لمحطات الطاقة الأولى التي تعمل بالفحم، وسيتم تطبيق مجموعة من تقنيات الطاقة منخفضة الكربون؛ سيتم تخفيض انبعاثات الكربون من المشاريع ذات الصلة بنحو 20% لكل كيلوواط/ساعة مقارنة بما كانت عليه في عام 2023، حتى أقل بشكل واضح من انبعاثات الكربون من محطات الطاقة المتقدمة القائمة على الفحم، وبالتالي استكشاف تجارب قيمة للطاقة النظيفة ومنخفضة الطاقة. - تحويل الكربون من محطات توليد الطاقة بالفحم. من خلال تكييف التحول منخفض الكربون لوحدات طاقة الفحم الحالية وبناء وحدات طاقة جديدة منخفضة الكربون بطريقة منسقة، فإننا نهدف إلى تسريع بناء نظام طاقة جديد نظيف ومنخفض الكربون وآمن وعالي الطاقة. فعال.
ووفقا للتوقعات ذات الصلة، بحلول عام 2030، ستصل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من محطات توليد الطاقة بالفحم إلى حوالي 4 مليارات طن. ولذلك، فإن التقنيات منخفضة الكربون في صناعة طاقة الفحم هي الدعم الرئيسي لتحقيق هدف الصين المتمثل في "ذروة الكربون 2030 - 2060 وحياد الكربون". إذًا، كيف يمكن لصناعة الطاقة بالفحم تحقيق إزالة الكربون؟
01 تحويل طاقة الفحم وإزالة الكربون وطرق البناء
وفقًا لبرنامج التحول منخفض الكربون وبناء محطات توليد الطاقة بالفحم (2024-2027)، هناك ثلاث طرق محددة لتحويل طاقة الفحم إلى طاقة منخفضة الكربون:
1، مزج الكتلة الحيوية. من خلال استخدام موارد الكتلة الحيوية مثل النفايات الزراعية والحرجية ومحطات النفايات ومحاصيل الطاقة المتجددة، ومع الأخذ في الاعتبار الإمداد المستدام لموارد الكتلة الحيوية والسلامة والمرونة والكفاءة التشغيلية والجدوى الاقتصادية، ينبغي أن تقترن وحدات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم بالكتلة الحيوية. توليد الطاقة. بعد التحول والبناء، يجب أن تتمتع محطات توليد الطاقة بالفحم بالقدرة على خلط أكثر من 10% من وقود الكتلة الحيوية، وبالتالي تقليل استهلاك الفحم وانبعاثات الكربون بشكل كبير.
2، مزج الأمونيا الخضراء. وذلك باستخدام مزج الأمونيا الخضراء مع وحدات الطاقة التي تعمل بالفحم لتوليد الكهرباء واستبدال جزء من الفحم. يجب أن تتمتع وحدات الطاقة التي تعمل بالفحم بالقدرة على حرق أكثر من 10% من الأمونيا الخضراء بعد التحويل والبناء، بهدف تقليل استهلاك الفحم ومستويات انبعاث الكربون بشكل واضح.
3، احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه. اعتماد الطرق الكيميائية والامتزاز والأغشية وغيرها من التقنيات لفصل واحتجاز ثاني أكسيد الكربون في غاز المداخن في الغلايات التي تعمل بالفحم. التقاط وتنقية وضغط ثاني أكسيد الكربون من خلال تعديل الضغط ودرجة الحرارة. تعزيز تطبيق التقنيات الجيولوجية مثل القيادة الفعالة للنفط بواسطة ثاني أكسيد الكربون. استخدم التقنيات الكيميائية مثل ثاني أكسيد الكربون بالإضافة إلى الهيدروجين للحصول على الميثانول. تنفيذ التخزين الجيولوجي لثاني أكسيد الكربون وفقا للظروف المحلية.
02 مسارات التحول لطاقة الفحم منخفضة الكربون
ويعد التوسع في الطاقة النظيفة، بما في ذلك الطاقة الكهرومائية وطاقة الرياح والطاقة الشمسية، هو المفتاح لتحقيق مخططات إمدادات الطاقة المنخفضة الكربون. وبعد تلبية الطلب المتزايد على الطاقة، هناك حاجة إلى مزيد من الاستبدال لطاقة الفحم الحالية من أجل التحول إلى طاقة منخفضة الكربون. بعد عام 2030، ستحل طاقة الطاقة غير الأحفورية محل طاقة الفحم الموجودة وستصبح الجزء الرئيسي من إمدادات الطاقة؛ وبعد عام 2050، سوف تقل حصة توليد الطاقة بحرق الفحم عن 5% من إجمالي إمدادات الطاقة في الصين.
وفقا لدراسة أجرتها جامعة رنمين الصينية حول آفاق التنمية للتحول منخفض الكربون في الصين إلى طاقة الفحم، يمكن تقسيمها إلى الخطوات الثلاث التالية:
1، من الآن فصاعدًا إلى عام 2030 كفترة إعداد للانتقال منخفض الكربون، ستظل سعة طاقة الفحم تنمو بشكل معتدل قبل عام 2030، وفي الوقت نفسه، تصبح الطاقة الجديدة هي غالبية زيادة إمدادات الطاقة، وحصة طاقة الرياح والطاقة الشمسية وستصل القدرة المركبة إلى أكثر من 40% بحلول عام 2030.
2، العام 2030-2045 هو الفترة الانتقالية السريعة، بعد عام 2030، ستتجاوز حصة طاقة الرياح والطاقة الشمسية بسرعة حصة طاقة الفحم، لتصبح مصدر الطاقة الرئيسي لنظام الطاقة. ويجب أن تقترن محطات توليد الطاقة بالفحم بتكنولوجيا الكتلة الحيوية، واحتجاز وتخزين الكربون، وغيرها من التكنولوجيات النظيفة المنخفضة الكربون، وبالتالي تقليل انبعاثات الكربون.
3، عام 2045 -2060 مع تعزيز إمدادات الطاقة وتحسينها، بحلول عام 2050، سيتم تشبع الطلب على الكهرباء، وسيتم تحويل طاقة الفحم بالكامل إلى مصدر طاقة قابل للتعديل، مما يخدم هضم وامتصاص الطاقة الرئيسية لطاقة الرياح الشمسية وتوفير الطاقة الاحتياطية والطارئة.
فيما يلي مثال لقاعدة طاقة في صحراء كوبوكي. وتبلغ القدرة الإجمالية المخططة لقاعدة طاقة كوبوتشي 16 مليون كيلووات، بما في ذلك الطاقة الكهروضوئية 8 ملايين كيلووات، وطاقة الرياح 4 ملايين كيلووات، وقدرة طاقة الفحم المتقدمة عالية الكفاءة 4 ملايين كيلووات. مشاريع الطاقة الشمسية التي تم بناؤها مذهلة، مع 2 مليون كيلوواط من القدرة الكهروضوئية المثبتة قيد التشغيل بالفعل. وفي حال اكتملت جميع المشاريع بالكامل، فمن المقدر أنه يمكن إيصال حوالي 40 مليار كيلوواط ساعة من الكهرباء إلى ملايين الأسر سنوياً، حيث تشكل الطاقة النظيفة أكثر من 50% من الإجمالي، وهو ما يعادل توفير حوالي 6 ملايين طن من الكهرباء. الفحم القياسي وخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنحو 16 مليون طن سنويا. ومن المخطط أن يكون هناك المزيد من قواعد الطاقة النظيفة في الطريق. الألواح الشمسية بنيت لأول مرة الألواح الشمسية بعد عام واحد قاعدة الطاقة الشمسية بعد خمس سنوات
أما بالنسبة للمركبات الكهربائية والبنية التحتية لشحنها، فوفقًا للإحصاءات، بحلول نهاية مايو 2024، تراكم إجمالي عدد البنى التحتية لشحن المركبات الكهربائية إلى 9.92 مليون وحدة في جميع أنحاء الصين، بزيادة قدرها 56٪ على أساس سنوي. ومن بينها، زادت مرافق الشحن العامة والقطاع الخاص إلى 3.05 مليون وحدة و6.87 مليون وحدة على التوالي، بمعدلات نمو بلغت 46% و61% على التوالي على أساس سنوي. وهذا يدل على أن الصين قامت ببناء أكبر شبكة بنية تحتية للشحن في العالم، وتغطي أوسع منطقة خدمة ومجموعة من أنواع الشحن.
ملاحظة المحرر: تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون الآن على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية والمركبات الكهربائية وتخزين الطاقة على نطاق الشبكة. يستمر الطلب العالمي على بطاريات الليثيوم أيون في النمو بشكل ملحوظ. وتشير التقديرات إلى أنه بحلول عام 2030، سيتجاوز الحجم العالمي لبطاريات الليثيوم أيون المستهلكة 11 مليون طن، مما سيصبح مصدرًا ضخمًا للتلوث يمكن أن يهدد البيئة والصحة العامة بشكل خطير. وفي الوقت نفسه، يترجم الطلب المتزايد على بطاريات الليثيوم أيون إلى طلب متزايد على الليثيوم والكوبالت. من ناحية أخرى، يصل محتوى الليثيوم والكوبالت في كاثودات LIB إلى 15% و7% بالوزن، على التوالي، وهو أعلى بكثير من الخامات والمحاليل الملحية. ولذلك، فإن استعادة العناصر المعدنية في كاثودات LIB المستهلكة لها أهمية بيئية واجتماعية واقتصادية كبيرة. حاليًا، يتم تقسيم استعادة بطاريات الليثيوم أيون بشكل أساسي إلى ثلاث خطوات: المعالجة المسبقة واستخراج المعادن وفصل المعادن. في البحث والتطوير لخطوة استخراج المعادن في عملية إعادة التدوير، تعد عملية التعدين المائي واحدة من أكثر الخيارات القابلة للتطبيق بسبب ارتفاع معدل ترشيح المعادن والنقاء المرضي للمنتجات المستردة. ومع ذلك، فإن هذه العملية ليست صديقة للبيئة، وليست اقتصادية للغاية، لأن استخدام الأحماض غير العضوية يجلب منتجات ثانوية خطرة؛ بينما تتطلب الأحماض العضوية عوامل اختزال إضافية أو أوقات تفاعل أطول ودرجات حرارة أعلى لاستعادة المعادن.
يقدم لنا الباحثون من فريق Zhong Lin Wang طريقة محتملة صديقة للبيئة وعالية الكفاءة واقتصادية لإعادة تدوير LIBs، بما في ذلك بطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم (LCO) وبطاريات الليثيوم الثلاثية.
خلاصة
مع الاتجاه العالمي نحو الحياد الكربوني، يتزايد الطلب على بطاريات الليثيوم أيون (LIBs) باستمرار. ومع ذلك، فإن طرق إعادة التدوير الحالية للـ LIBs المستهلكة تحتاج إلى تحسين عاجل من حيث الصداقة البيئية والتكلفة والكفاءة. نقترح هنا طريقة تحفيزية ميكانيكية، يُطلق عليها اسم التحفيز الكهربائي التلامسي، وذلك باستخدام الجذور الناتجة عن كهربة التلامس لتعزيز ترشيح المعادن تحت الموجات فوق الصوتية. نحن نستخدم أيضًا SiO2 كمحفز قابل لإعادة التدوير في هذه العملية. بالنسبة لبطاريات أكسيد كوبالت الليثيوم (III)، وصلت كفاءة الترشيح إلى 100% للليثيوم و92.19% للكوبالت عند 90 درجة مئوية خلال 6 ساعات. بالنسبة لبطاريات الليثيوم الثلاثية، وصلت كفاءة ترشيح الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت إلى 94.56%، 96.62%، 96.54% و98.39% عند 70 درجة مئوية، على التوالي، خلال 6 ساعات. نتوقع أن توفر هذه الطريقة نهجًا صديقًا للبيئة وعالي الكفاءة واقتصاديًا لإعادة تدوير LIB، مما يلبي الطلب المتزايد بشكل كبير على منتجات LIB.
ملاحظة المحرر: تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون الآن على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية والمركبات الكهربائية وتخزين الطاقة على نطاق الشبكة. يستمر الطلب العالمي على بطاريات الليثيوم أيون في النمو بشكل ملحوظ. وتشير التقديرات إلى أنه بحلول عام 2030، سيتجاوز الحجم العالمي لبطاريات الليثيوم أيون المستهلكة 11 مليون طن، مما سيصبح مصدرًا ضخمًا للتلوث يمكن أن يهدد البيئة والصحة العامة بشكل خطير. وفي الوقت نفسه، يترجم الطلب المتزايد على بطاريات الليثيوم أيون إلى طلب متزايد على الليثيوم والكوبالت. من ناحية أخرى، فإن محتوى الليثيوم والكوبالت في كاثودات LIB يصل إلى 15% و7% بالوزن، على التوالي، وهو أعلى بكثير من ذلك الموجود في الخامات والمحاليل الملحية. ولذلك، فإن استعادة العناصر المعدنية في كاثودات LIB المستهلكة لها أهمية بيئية واجتماعية واقتصادية كبيرة. حاليًا، يتم تقسيم استعادة بطاريات الليثيوم أيون بشكل أساسي إلى ثلاث خطوات: المعالجة المسبقة واستخراج المعادن وفصل المعادن. في البحث والتطوير لخطوة استخراج المعادن في عملية إعادة التدوير، تعد عملية التعدين المائي واحدة من أكثر الخيارات القابلة للتطبيق بسبب ارتفاع معدل ترشيح المعادن والنقاء المرضي للمنتجات المستردة. ومع ذلك، فإن هذه العملية ليست صديقة للبيئة، وليست اقتصادية للغاية، لأن استخدام الأحماض غير العضوية يجلب منتجات ثانوية خطرة؛ بينما تتطلب الأحماض العضوية عوامل اختزال إضافية أو أوقات تفاعل أطول ودرجات حرارة أعلى لاستعادة المعادن.
يقدم لنا الباحثون من فريق Zhong Lin Wang طريقة محتملة صديقة للبيئة وعالية الكفاءة واقتصادية لإعادة تدوير LIBs، وخاصة بطاريات LFP.
خلاصة
أثارت إعادة تدوير بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LFPs)، والتي تمثل أكثر من 32٪ من حصة سوق بطاريات الليثيوم أيون (LIB) في جميع أنحاء العالم، الاهتمام بسبب موارد العناصر القيمة والمخاوف البيئية. ومع ذلك، فإن تقنيات إعادة التدوير الحديثة، والتي تعتمد عادةً على طرق الترشيح الكهروكيميائية أو الكيميائية، تواجه مشكلات حرجة مثل الإجراءات الشاقة والاستهلاك الهائل للمواد الكيميائية/الكهرباء والتلوث الثانوي. هنا، نقوم بالإبلاغ عن نظام مبتكر ذاتي الطاقة يتكون من مفاعل إعادة التدوير الكهروكيميائي LIB ومولد نانوي كهربائي احتكاكي (TENG) لإعادة تدوير LFP المستهلك. في مفاعل إعادة التدوير الكهروكيميائي LIB، تم اعتماد زوج Cl−/ClO− المتولد كهروكيميائيًا في محلول NaCl كوسيط الأكسدة والاختزال لتحطيم LFP إلى FePO4 وLi+ عبر تفاعل استهداف الأكسدة والاختزال بدون مواد كيميائية إضافية. بالإضافة إلى ذلك، تم تصميم TENG الذي يستخدم المكونات المهملة من LIBs بما في ذلك الأغلفة وأفلام الألومنيوم والبلاستيك ومجمعات التيار لتقليل الملوثات الثانوية بشكل كبير. علاوة على ذلك، يقوم TENG بحصد طاقة الرياح، مما يوفر مخرجًا قدره 0.21 واط لتشغيل نظام إعادة التدوير الكهروكيميائي وشحن البطاريات. لذلك، يُظهر النظام المقترح لإعادة تدوير LFP المستهلك درجة نقاء عالية (Li2CO3، 99.70% وFePO4، 99.75%)، وميزات ذاتية التشغيل، وإجراءات معالجة مبسطة وربح مرتفع، مما يمكن أن يعزز استدامة تقنيات LIB.
حققت بطاريات Li-ion طريقها إلى سوق السيارات الكهربائية بكثافة عالية للطاقة ، ومع ذلك فهي لا تزال تعاني من الحركية البطيئة التي يحدها أنود الجرافيت. هنا ، تم تصميم الإلكتروليتات التي تتيح الشحن السريع للغاية (XFC) لأنود الجرافيت الدقيق بدون طلاء Li. يوضح التوصيف والمحاكاة الشاملان حول انتشار Li + في المنحل بالكهرباء السائبة ، وعملية نقل الشحنة ، والطور البيني للكهرباء الصلبة (SEI) أن الموصلية الأيونية العالية ، وطاقة الانحلال المنخفضة لـ Li + ، و SEI الواقي ضرورية لـ XFC. بناءً على المعيار ، تم تصميم إلكتروليتين سريع الشحن: جهد منخفض 1.8 م LiFSI في 1،3 ديوكسولين (لـ LiFePO4 || خلايا الجرافيت) و LiPF6 عالي الجهد 1.0 متر في خليط من كربونات فلورو إيثيلين 4 و acetonitrile (7: 3 حسب المجلد) (لـ LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 || خلايا الجرافيت). يمكّن المنحل بالكهرباء السابق قطب الجرافيت من تحقيق 180 مللي أمبير جرام عند 50 درجة مئوية (1 درجة مئوية = 370 مللي أمبير جرام) ، وهو أعلى 10 مرات من إلكتروليت تقليدي. يمكّن المنحل بالكهرباء الأخير LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 || خلايا الجرافيت (2 مللي أمبير سم − 2 ، نسبة N / P = 1) لتوفير سعة عكسية قياسية تبلغ 170 مللي أمبير جرام عند شحن 4C وتفريغ 0.3C . يكشف هذا العمل عن الآليات الرئيسية لـ XFC ويوفر مبادئ تصميم إلكتروليت إرشادية من أجل LIBs عملي سريع الشحن مع أنودات الجرافيت.
ملاحظة المحرر: أبلغ الباحثون عن اختراقة في الكيمياء الكهربية عالية الجهد وعالية الكثافة للطاقة لبطارية ليثيوم أيون اقتصادية وخالية من المعادن (صديقة للبيئة). تتميز بطارية الليثيوم أيون العضوية فئة 4 V بقدرة نظرية عالية وجهد عالٍ ، بينما تظل مواد الكاثود العملية والإلكتروليتات غير مستكشفة.
هل الجزيئات العضوية الصغيرة النشطة في الأكسدة والاختزال قابلة للتطبيق على كاثودات بطارية ليثيوم أيون عالية الجهد (> 4 فولت)؟
بقلم: يوتو كاتسوياما ، هيرواكي كوباياشي ، كازويوكي إيواسي ، يوشيوكي جامبي ، إيتارو هونما | نُشر لأول مرة: 10 مارس 2022 في Advanced Science
4 بطاريات ليثيوم أيون عضوية من الفئة V
في حين أن بطاريات الليثيوم أيون العضوية قد جذبت اهتمامًا كبيرًا نظرًا لقدراتها النظرية العالية ، فإن مواد الكاثود العضوية عالية الجهد لا تزال غير مستكشفة. في المقال رقم 2200187 ، أبلغ يوتو كاتسوياما وهيرواكي كوباياشي وإيتارو هونما وزملاؤه عن الكيمياء الكهربية لحمض الكروكونيك عند الجهد العالي. تؤكد التحقيقات النظرية والتجريبية أن الإثنين في حمض الكروكونيك يظهران حوالي 4 فولت من الأكسدة والاختزال ، والتي يمكن استخدامها لتخزين الطاقة.
الملخص
بينما جذبت البطاريات العضوية اهتمامًا كبيرًا نظرًا لقدراتها النظرية العالية ، فإن المواد النشطة العضوية عالية الجهد (> 4 فولت مقابل Li / Li +) لا تزال غير مستكشفة. هنا ، يتم دمج حسابات نظرية الكثافة الوظيفية مع قياسات الفولتميتر الدوري للتحقيق في الكيمياء الكهربائية لحمض كروكونيك (CA) لاستخدامه كمواد كاثود لبطارية ليثيوم أيون في كل من إلكتروليتات ثنائي ميثيل سلفوكسيد وبيتيرولاكتون (GBL). توضح حسابات DFT أن ملح CA ديليتيوم (CA – Li2) يحتوي على مجموعتين enolate تخضعان لتفاعلات الأكسدة والاختزال أعلى من 4.0 فولت وكثافة طاقة نظرية على مستوى المادة تبلغ 1949 Wh كجم -1 لتخزين أربعة أيونات ليثيوم في GBL - تتجاوز قيمة كليهما مواد الكاثود العضوية التقليدية وغير العضوية والمعروفة. تكشف قياسات قياس الفولتميتر الدوري عن تفاعل الأكسدة والاختزال القابل للانعكاس من قبل مجموعة enolate عند ≈4 V في كلا الشوارد. تُظهر اختبارات أداء البطارية في CA مثل كاثود بطارية ليثيوم أيون في GBL هضبتين لجهد التفريغ عند 3.9 و 3.1 فولت ، وقدرة تفريغ تبلغ 102.2 مللي أمبير في الساعة مع عدم فقدان السعة بعد خمس دورات. مع الفولتية العالية التفريغ مقارنة بالجزيئات العضوية الصغيرة المعروفة والحديثة ، تعد CA بأن تكون مرشحًا رئيسيًا لمواد الكاثود لبطاريات الليثيوم أيون العضوية عالية الطاقة في المستقبل.
في 15 أبريل ، أصدر فريق البحث والتطوير من شركة Changzhou Liyuan New Energy Co إعلانًا في نانجينغ أن الشركة قد حققت طفرة تكنولوجية في مادة الكاثود LFP ، مما أدى إلى تحسن كبير في أداء LFP ، وكذلك معدل الشحن ، في درجات حرارة منخفضة.
إن السيارة الكهربائية التي تعمل ببطارية LFP التقليدية لها عيبها الواضح المتمثل في قلق النطاق ، أي أن مداها غالبًا ما يكون حوالي 50 ٪ من نطاق NEDC / WLTP / EPA المزعوم في درجات حرارة منخفضة مثل -20 ℃.
يُزعم أن مادة LFP الجديدة ، "LFP-1" ، تم تطويرها بواسطة أكثر من 20 خبيرًا في البحث والتطوير من مركز أبحاث Shenzhen بعد أكثر من 2000 تجربة متكررة في ثماني سنوات وقد فاز فريق البحث والتطوير بـ 5 براءات اختراع معها.
تم الإبلاغ عن تحقيق الأداء الخارق لـ "LFP-1" من خلال إنشاء قنوات نقل أيونات الليثيوم عالية السرعة داخل مادة الكاثود جنبًا إلى جنب مع أحدث تكنولوجيا "مجالات الطاقة" ؛ والمميزات المادية:
زيادة معدل قدرة التفريغ لبطارية LFP من 55٪ إلى 85٪ عند درجة حرارة -20 درجة مئوية ومن صفر تقريبًا إلى 57٪ عند درجة حرارة -40 درجة مئوية.
تحقيق مدى يصل إلى 500 كيلومتر في 15 دقيقة فقط من الشحن السريع بمعدل 4C. وبالمقارنة ، فإن السيارة الكهربائية التي تعمل ببطارية LFP التقليدية تحتاج عادةً إلى شحن سريع لمدة 40 دقيقة لتحقيق مدى يصل إلى حوالي 550 كيلومترًا.
Poworks
Poworks هي المهنية الصانع والمورد من مركبات الليثيوم.
الألواح الشمسية بنيت لأول مرة 
الألواح الشمسية بعد عام واحد 
قاعدة الطاقة الشمسية بعد خمس سنوات
