تم الكشف عن مادة هاليدية رخيصة الثمن ذات كثافة طاقة عالية وعمر دورة طويل
| Jerry Huang
ملاحظة المحرر: في مجال تخزين الطاقة، تُعتبر بطاريات الحالة الصلبة الحل الأمثل لتقنيات تخزين الطاقة من الجيل التالي، إلا أن تطويرها لطالما واجه عقباتٍ حرجة في مواد الأقطاب الكهربائية. عادةً ما تتميز بطاريات الحالة الصلبة التقليدية (ASSBs) بأقطاب كهربائية مكونة من مواد فعالة، وإلكتروليتات صلبة، ومواد مضافة موصلة. ومع ذلك، فإن هذه المكونات غير النشطة (التي تشغل ما بين 40% و50% من حجم الأقطاب الكهربائية) لا تقلل من كثافة الطاقة فحسب، بل تُحفز أيضًا تفاعلات جانبية بينية، وتزيد من التواء نقل أيونات الليثيوم. على الرغم من أن تصميمات "الكل في واحد" (مواد ذات موصلية عالية ونشاط كهروكيميائي) قد تُحل هذه المشكلات، إلا أن المواد الحالية، مثل الأكاسيد (منخفضة السعة) والكبريتيدات (عالية التكلفة)، تواجه صعوبة في تلبية متطلبات الأسواق المستقبلية. تتميز الهاليدات بانخفاض تكلفتها وارتفاع موصليتها الأيونية، إلا أنها تعاني من ضعف الموصلية الإلكترونية وكثافة الطاقة. ومن ثم، فإن تطوير مواد متكاملة تجمع بين الأداء الكهروكيميائي العالي وقابلية التوسع غير المكلفة والاستقرار الميكانيكي أصبح تحديًا بالغ الأهمية.
إليكم مثالاً رائعاً. قدّم فريق من جامعة ويسترن أونتاريو في كندا حلّاً ثورياً في دراستهم المنشورة في مجلة Nature، حيث صمموا أول مادة هاليد في العالم، Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄، تتميز بقدرة شفاء ذاتية ديناميكية وتكامل ثلاثي في واحد (كاثود/إلكتروليت/موصل). من خلال تفاعلات أكسدة واختزال عكسية Fe²⁺/Fe³⁺ وآلية انتقال فريدة من الهشاشة إلى اللدونة، تحتفظ هذه المادة بسعة 90% بعد 3000 دورة، محققةً كثافة طاقة قطب كهربائي تبلغ 529.3 واط/كجم⁻¹ (قابلة للتطوير إلى 725.6 واط/كجم⁻¹ مع التصاميم المركبة). والأهم من ذلك، أن تكلفتها لا تتجاوز 26% من تكلفة الأقطاب الكهربائية التقليدية. وقد كشف إشعاع السنكروترون، إلى جانب المحاكاة الذرية، عن آلية شفاء ذاتية مستحثة بهجرة الحديد لأول مرة! لا يقتصر هذا العمل على توفير مادة أساسية لبطاريات الحالة الصلبة فحسب، بل يُقدم أيضًا نموذجًا مثاليًا لتصميم متكامل يجمع بين المواد والميكانيكا والكيمياء الكهربائية. شكرًا للجهود الكبيرة المبذولة من جميع الباحثين.
خلاصة
تتطلب بطاريات الحالة الصلبة تصميمات مهبطية متطورة لتحقيق إمكاناتها في كثافة الطاقة العالية والجدوى الاقتصادية. تُبشّر المهبطات المتكاملة، التي تستبعد الإضافات الموصلة غير النشطة والواجهات غير المتجانسة، بتحقيق مكاسب كبيرة في الطاقة والاستقرار، إلا أنها تُعيقها مواد تفتقر إلى موصلية كافية لـ Li+/e−، ومتانة ميكانيكية، واستقرار هيكلي. نقدم هنا Li1.3Fe1.2Cl4، وهي مادة هاليد فعالة من حيث التكلفة تتغلب على هذه التحديات. بفضل أكسدة Fe2+/Fe3+ العكسية ونقل Li+/e− السريع ضمن إطارها، تحقق Li1.3Fe1.2Cl4 كثافة طاقة قطب كهربائي تبلغ 529.3 واط/كجم-1 مقارنةً بـ Li+/Li. والأهم من ذلك، تُظهر Li1.3Fe1.2Cl4 خصائص ديناميكية فريدة أثناء الدورة، بما في ذلك هجرة Fe محلية عكسية وانتقال من الهشاشة إلى اللدونة مما يُكسبها سلوكًا ذاتي الشفاء. يُتيح هذا استقرارًا استثنائيًا للدورة، مع الحفاظ على 90% من السعة لمدة 3000 دورة بمعدل 5 درجات مئوية. يُؤدي دمج Li1.3Fe1.2Cl4 مع أكسيد غني بالنيكل إلى زيادة كثافة الطاقة إلى 725.6 واط/كجم. ومن خلال الاستفادة من الخصائص الميكانيكية الديناميكية والانتشارية المميزة للهاليدات متعددة الاستخدامات، يُرسي هذا العمل أسس هاليدات متعددة الاستخدامات كخيارٍ رئيسيٍّ لكاثودات كثيفة الطاقة ومتينة في الجيل القادم من بطاريات الحالة الصلبة.
مراجع
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1