حقق فريق بحثي من معهد كوريا المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) تقدمًا مهمًا في تطوير بطاريات الليثيوم المعدنية بدون أنود، وهي تقنية واعدة لمركبات الكهرباء والطائرات دون طيار وأنظمة تخزين الطاقة المتقدمة.
تمتاز هذه البطاريات بكثافة طاقة أعلى بشكل ملحوظ مقارنة بالبطاريات التقليدية، إلا أن عمرها القصير كان العقبة الرئيسية أمام انتشارها التجاري.
قاد الفريق البحثي، الذي يضم البروفيسورين جينو لي وسونغ جاب إيم من قسم الهندسة الكيميائية والبيومولية في KAIST، دراسة ركزت على تعديل سطح القطب بدلًا من تعديل تركيبة الإلكتروليت بشكل متكرر. وأسفر هذا النهج عن بطارية ليثيوم معدنية بدون أنود بعمر طويل بشكل كبير.
تكمن أبرز تحديات تطوير هذه البطاريات في عدم استقرار التفاعل على واجهة الإلكتروليت والقطب. وتغلب الفريق على هذه المشكلة عن طريق تطبيق طبقة بوليمر صناعية فائقة الرقة بسمك 15 نانومتر فقط، مما عزز من متانة البطارية بشكل كبير، وفقًا للورقة البحثية المنشورة في مجلة Joule.
تتميز البطاريات بدون أنود بتصميم مبسط يعتمد على موصل كهربائي من النحاس عند القطب السالب بدلًا من الجرافيت أو الليثيوم المعدني التقليدي، ما يوفر زيادة في كثافة الطاقة بنسبة 30–50%، ويقلل من تكاليف الإنتاج، ويسهل التصنيع مقارنة بالبطاريات التقليدية.
ومن المعروف أن تراكم الليثيوم مباشرة على النحاس في الدورة الأولى للشحن يؤدي إلى استهلاك سريع للإلكتروليت وخلق طبقة SEI غير مستقرة، ما يقلل عمر البطارية بسرعة.
اعتمد فريق KAIST في حل هذه المشكلة على إعادة تصميم سطح الموصل النحاسي باستخدام طريقة الترسيب الكيميائي بالبخار (iCVD) لوضع فيلم بوليمري رقيق ومتناسق يتحكم في تفاعلات الإلكتروليت، ويوجه حركة أيونات الليثيوم ويحد من تحلل الإلكتروليت غير المرغوب فيه.
وتوضح الدراسة أن الطبقة الجديدة تمنع اختلاط الإلكتروليت مع الفيلم، وبدلاً من ذلك تشجع على تحلل أنيونات الملح، لتشكيل SEI صلبة غنية بالمواد غير العضوية، مما يقلل فقدان الإلكتروليت وزيادة سماكة SEI بشكل غير منضبط.
وأكد الباحثون، باستخدام تقنيات مثل التحليل الطيفي رامن أثناء التشغيل والمحاكاة الديناميكية الجزيئية، أن الطلاء يخلق منطقة غنية بالأنونات قرب القطب، ما يعزز تكوين SEI قوي ومستقر.
وأشار البروفيسور جينو لي إلى أن الدراسة لا تقتصر على تطوير مواد جديدة، بل تقدم مبدأ تصميم يوضح كيفية التحكم في تفاعلات الإلكتروليت واستقرار الواجهة عبر هندسة سطح القطب، مما يسرع من إمكانية تصدير بطاريات الليثيوم المعدنية بدون أنود للاستخدام في الأسواق المستقبلية للسيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة.