بطارية منجنيز رخيصة الثمن تصل إلى 820 وات/كجم، دون أي تدهور

أظهر باحثون يابانيون في جامعة يوكوهاما الوطنية بديلاً واعداً للبطاريات المعتمدة على النيكل والكوبالت (EVs).

يستخدم نهجهم المنغنيز الموجود في الأنود لإنشاء بطارية ذات كثافة طاقة عالية، وهي فعالة من حيث التكلفة ومستدامة.

يفضل مصنعو السيارات الكهربائية بطاريات النيكل والكوبالت لأنها توفر كثافة طاقة أعلى، وهو ما يترجم إلى نطاق أكبر في حزمة بطارية أصغر. ومع ذلك، فإن كلا المكونين مكلفان من حيث المصدر ونادران نسبيًا، مما يجعلهما خيارات غير مستدامة مع ارتفاع استخدام السيارات الكهربائية في جميع أنحاء العالم.

تعد بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) خيار البطارية القابلة لإعادة الشحن المفضل لمعظم الأجهزة الإلكترونية. ومع ذلك، فإن كثافة الطاقة المنخفضة لديها تضعها في موقف متأخر فيما يتعلق بالمركبات الكهربائية. أدت جهود البحث والتطوير لتحسينها إلى تقديم خيارات أفضل لـ Li-ion.

كما تم اختبار المنغنيز الموجود في مادة الأنود مع الليثيوم مثل LiMnO2. ومع ذلك، فإن التطبيقات محدودة بسبب ضعف أداء القطب. وقد تناول الباحثون في جامعة يوكوهاما الوطنية (YNU) في اليابان هذه المشكلة في عملهم الأخير.

العمل مع وضع أحادي الميل

بعد دراسة مكثفة لـ LiMnO2 بأشكاله المختلفة باستخدام حيود الأشعة السينية، والمجهر الإلكتروني الماسح، والأساليب الكهروكيميائية، اكتشف الباحث Naoaki Yabuuchi وفريقه في YNU أن مجال الطبقات أحادي الميل يمكّن من التحول الهيكلي لـ LiMnO2 إلى مرحلة تشبه الإسبنيل. البنية أحادية الميل هي نوع تناظر جماعي من البنية البلورية الصلبة.

يعمل LiMnO2 على تحسين أداء مادة الإلكترود عن طريق تسهيل انتقال المرحلة. بدون انتقال الطور، يكون أداء القطب LiMnO2 دون المستوى الأمثل.

وقال يابوتشي: “من هذا الاكتشاف، تم تصنيع LiMnO2 ذو البنية النانوية مع هياكل مجال ذات طبقات أحادية الميل ومساحة سطحية عالية مباشرة باستخدام تفاعل الحالة الصلبة البسيط”. بيان صحفي.

لا يحتوي التفاعل على خطوات وسيطة ويمكن تصنيعه مباشرة من المكونين باستخدام عملية التكليس.

تحسينات الأداء مع Mn

كشف اختبار ما بعد التركيب أن البطارية المزودة بقطب LiMnO2 حققت كثافة طاقة تبلغ 820 واط/ساعة لكل كيلوغرام (Whkg-1) مقارنة بـ 750 واط/ساعة لكل كيلوغرام تم الحصول عليها باستخدام البطارية القائمة على النيكل. تتمتع البطاريات المعتمدة على الليثيوم فقط بكثافة طاقة أقل تبلغ 500 واط ساعة لكل كيلوغرام.

وقال الباحثون هندسة مثيرة للاهتمام عادةً ما يُظهر المنغنيز الموجود في البريد الإلكتروني، عند استخدامه في أشكال متعددة أخرى، حوالي نصف كثافة الطاقة المحتملة.

أبلغ العمل السابق باستخدام المنغنيز عن اضمحلال الجهد الكهربي في البطاريات، حيث انخفض خرج الجهد بمرور الوقت، مما أدى إلى تقليل أداء الجهاز الإلكتروني. ومع ذلك، مع القطب LiMnO2، لم يلاحظ الباحثون مثل هذه التأثيرات.

قد يستمر حدوث انحلال المنغنيز، بسبب تغيرات الطور أو التفاعل مع المحاليل الحمضية. وأضاف البيان الصحفي أن الباحثين يخططون لمعالجة هذه المشكلة باستخدام محلول إلكتروليت عالي التركيز وطلاء فوسفات الليثيوم.

ويعتقد الباحثون أن عملهم قد ساهم في تطوير عرض جديد ينافس الخيارات الحالية، ومستدام في التصنيع وصديق للبيئة على المدى الطويل. إنهم يتطلعون إلى تسويق التكنولوجيا الخاصة بهم وتطبيقها في صناعة السيارات الكهربائية.

وأضاف فريق البحث في بريدهم الإلكتروني إلى IE: “لقد اكتشفنا طريقة أرخص بكثير، وهي نتيجة مهمة لدراستنا”.