حقق فريق بحثي من معهد كوريا المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) خطوة مهمة في تطوير بطاريات الليثيوم المعدنية بدون أنود، وهي تقنية واعدة لتطبيقات السيارات الكهربائية والطائرات دون طيار وأنظمة تخزين الطاقة المتقدمة.
تتميز هذه البطاريات بكثافة طاقة أعلى مقارنة بالبطاريات التقليدية، إلا أن العمر القصير كان يمثل عائقًا رئيسيًا أمام انتشارها تجاريًا.
قاد البحث البروفيسوران جينو لي وسونغ جاب إيم من قسم الهندسة الكيميائية والبيومولية في KAIST، حيث ركز الفريق على تعديل سطح القطب بدلًا من تغيير تركيبة الإلكتروليت بشكل مستمر. أسفر هذا النهج عن بطارية ليثيوم معدنية بدون أنود ذات عمر أطول بكثير.
تتمثل أبرز التحديات في عدم استقرار التفاعل على واجهة الإلكتروليت والقطب. وللتغلب على ذلك، قام الفريق بتطبيق طبقة بوليمر صناعية فائقة الرقة بسماكة 15 نانومتر، مما عزز متانة البطارية بشكل كبير، وفقًا للورقة البحثية المنشورة في مجلة Joule.
تتميز البطاريات بدون أنود بتصميم مبسط يعتمد على موصل نحاسي 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.
ولحل مشكلة تراكم الليثيوم المباشر على النحاس الذي يؤدي إلى استهلاك الإلكتروليت بسرعة وخلق طبقة SEI غير مستقرة، اعتمد الفريق على إعادة تصميم سطح الموصل النحاسي باستخدام الترسيب الكيميائي بالبخار (iCVD) لوضع فيلم بوليمري رقيق ومنسق يتحكم في تفاعلات الإلكتروليت ويوجه حركة أيونات الليثيوم ويحد من تحلل الإلكتروليت غير المرغوب فيه.
وأوضحت الدراسة أن الطبقة الجديدة تمنع اختلاط الإلكتروليت مع الفيلم، وتعمل على تشجيع تحلل أنيونات الملح لتشكيل SEI صلبة غنية بالمواد غير العضوية، ما يقلل فقدان الإلكتروليت ويمنع زيادة 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 فحسب، بل تقدم مبدأ تصميم متكامل للتحكم في تفاعلات الإلكتروليت واستقرار الواجهة عبر هندسة سطح القطب، مما يسرع من إمكانية استخدام بطاريات الليثيوم المعدنية بدون أنود في الأسواق المستقبلية للسيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة.