שיפורים בטכנולוגיית סוללת ליתיום-יון הושגו על ידי הכנסת אלמנטים בשפע לחומר הקתודה, שיפור קיבולת האנרגיה והיציבות, והפחתת ההשפעה הסביבתית, וסוללת את הדרך למסחור עתידי. קרדיט: מדעים גרפיקה. בע"מ.
חוקרים שיפרו באופן משמעותי את הביצועים של קתודות ליתיום-ברזל-אוקסיד המשמשות בסוללות ליתיום-יון על ידי סימום שלהן עם אלמנטים בשפע כמו אלומיניום וסיליקון.
מחזור טעינה-טעינה של תחמוצת ברזל עשירה בליתיום, קתודה חסכונית ובעלת קיבולת גבוהה עבור סוללות ליתיום-יון מהדור החדש, יכולה להשתפר מאוד על ידי שימוש בסימום עם יסודות מינרליים זמינים.
קיבולת האנרגיה ומחזוריות הטעינה והטעינה של ליתיום-ברזל-אוקסיד, חומר קתודה חסכוני עבור סוללות ליתיום-יון נטענות, משתפרת על ידי הוספת כמויות קטנות של אלמנטים בשפע. הפיתוח, שהושג על ידי חוקרים מאוניברסיטת הוקאידו, אוניברסיטת טוהוקו והמכון הטכנולוגי של נאגויה, מדווח בכתב העת אותיות ACS Materials.
סוללות ליתיום-יון הפכו חיוניות בחיים המודרניים, המשמשות במגוון יישומים, כולל טלפונים ניידים, רכבים חשמליים ומערכות גדולות לאחסון חשמל. מאמץ מחקר מתמיד מתבצע כדי להגביר את הקיבולת, היעילות והקיימות שלהם. אתגר מרכזי הוא להפחית את התלות במשאבים נדירים ויקרים. גישה אחת היא להשתמש בחומרים יעילים וברי קיימא יותר לקתודות הסוללה, בהן מתרחשים תהליכי חילופי אלקטרונים מרכזיים.
פיתוחים ואתגרים מחקריים
החוקרים פעלו לשיפור הביצועים של קתודות המבוססות על תרכובת ליתיום-ברזל-אוקסיד מסוימת. בשנת 2023 הם דיווחו על א חומר קתודה מבטיח, לי5FeO4, המציג יכולת גבוהה באמצעות תגובות חיזור של ברזל וחמצן. עם זאת, הפיתוח שלו נתקל בבעיות הקשורות לייצור חמצן במהלך רכיבה על אופניים של טעינה-טעינה.
"מצאנו כעת שניתן לשפר את יכולת המחזוריות באופן משמעותי על ידי סימום כמויות קטנות של יסודות זמינים בשפע כגון אלומיניום, סיליקון, זרחן וגופרית לתוך מבנה הגביש של הקתודה", אומר פרופסור חבר הירואקי קובאיאשי במחלקה לכימיה, הפקולטה ל- מַדָע, אוניברסיטת הוקאידו.
שימור הקיבולת של קתודה של ליתיום-ברזל-תחמוצת משתפר מ-50% ל-90% כאשר מסוממים עם אלמנטים זמינים בשפע כגון אלומיניום, סיליקון, זרחן וגופרית. קרדיט: Hiroaki Kobayashi
היבט כימי מכריע של השיפור הוכיח את עצמו כיצירת קשרים 'קוולנטיים' חזקים בין אטומי הדופנט והחמצן בתוך המבנה. קשרים אלה מחזיקים אטומים יחדיו כאשר אלקטרונים משותפים בין האטומים, במקום האינטראקציה ה'יונית' בין יונים חיוביים ושליליים.
"הקשר הקוולנטי בין אטומי הדופנט לחמצן הופך את השחרור הבעייתי של חמצן לפחות חיובי מבחינה אנרגטית, ולכן פחות סיכוי להתרחש", אומר קובאיאשי.
החוקרים השתמשו בניתוח קליטת קרני רנטגן ובחישובים תיאורטיים כדי לחקור את הפרטים הקטנים של שינויים במבנה החומר הקתודי שנגרמו כתוצאה מהחדרת אלמנטים דונטים שונים. זה איפשר להם להציע הסברים תיאורטיים לשיפורים שצפו. הם גם השתמשו באנליזה אלקטרוכימית כדי לכמת את השיפורים בקיבולת האנרגיה של הקתודה, ביציבות ובמחזוריות בין שלבי הטעינה והפריקה, והראו עלייה בשמירת הקיבולת מ-50% ל-90%.
"נמשיך לפתח את התובנות החדשות הללו, בתקווה לתרום תרומה משמעותית להתקדמות בטכנולוגיית הסוללות שתהיה חיונית אם הכוח החשמלי יחליף באופן נרחב את השימוש בדלק מאובנים, כנדרש מהמאמצים העולמיים להילחם בשינויי האקלים", מסכם קובאיאשי .
השלב הבא של המחקר יכלול בחינת האתגרים והאפשרויות בהגדלת השיטות לטכנולוגיה מוכנה למסחור.
