מבנה קל משקל ותלת מימדי חדש שפותח על ידי חוקרים משפר את הובלת יוני ליתיום בסוללות, מראה יציבות משופרת וצפיפות אנרגיה, עם פוטנציאל ליישום תעשייתי.
מבנה פולימרי תלת מימדי חדש שפותח על ידי חוקרי POSTECH ו-KIER משפר משמעותית את הובלת ליתיום יוני וביצועי הסוללה, מראה הבטחה גדולה למסחור עתידי.
בדיוק כפי שתמרורים מנחים את המטיילים עם כיוונים ומרחקים כדי למנוע מהם לאבד את דרכם, "שילוט" בהקשרים מסוימים מציעים הדרכה דומה. לאחרונה, בתחום הכימיה, זוהו מבנים הממלאים תפקיד דומה, ועוררו עניין רב בקהילה האקדמית.
פרופסור Soojin Park ודונג-Yeob Han, מועמד לדוקטורט, מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת פוהאנג למדע וטכנולוגיה (POSTECH) בשיתוף עם ד"ר Gyujin Song ממכון לחקר האנרגיה של קוריאה (KIER) וצוות חוקרים ב- POSCO N.EX.T HUB פיתחו מבנה פולימרי תלת מימדי. מבנה קל זה מקל על הובלת יוני ליתיום (Li). המחקר שלהם פורסם לאחרונה במהדורה המקוונת של כתב העת הבינלאומי Advanced Science.
התקדמות בטכנולוגיית הסוללות
טכנולוגיית הסוללה המשמשת במכשירים אלקטרוניים כגון רכבים חשמליים וסמארטפונים ממשיכה להתפתח. יש לציין כי לאנודות מתכת ליתיום קיבולת אנרגיה של 3,860 מיליאמפר/שעה, יותר מפי עשרה מאנודות גרפיט הממוסחרות כיום. אנודות מתכת ליתיום יכולות לאגור יותר אנרגיה בחלל קטן יותר, ובניגוד לגרפיט או סיליקון, יכולות להשתתף ישירות בתגובות אלקטרוכימיות כאלקטרודות.
עם זאת, במהלך תהליך הטעינה והפריקה, הפיזור הלא אחיד של יוני הליתיום יוצר אזורים הידועים בשם "Li מת", מה שמפחית את הקיבולת ואת הביצועים של הסוללה. בנוסף, כאשר ליתיום גדל בכיוון אחד, הוא יכול להגיע לקתודה בצד הנגדי, ולגרום לקצר פנימי. למרות שמחקרים עדכניים התמקדו באופטימיזציה של הובלת ליתיום במבנים תלת מימדיים, רוב המבנים הללו מסתמכים על מתכות כבדות, מה שפוגע באופן משמעותי בצפיפות האנרגיה של הסוללה למשקל.
ייצוג סכמטי של הגיאומטריה הפנימית של המבנה ההיברידי לאחר שקיעת ליתיום אלקטרוקטונית. קרדיט: POSTECH
מבנה תלת מימדי חדשני לאנודות
כדי לטפל בבעיה זו, הצוות פיתח מבנה נקבובי היברידי באמצעות אלכוהול פוליוויניל, פולימר קל משקל עם זיקה גבוהה ליוני ליתיום, בשילוב עם ננו-צינוריות פחמן עם דופן חד-דופן וכדורי ננו-פחמן.
מבנה זה קל יותר מפי חמישה מקולטי הנחושת (Cu) המשמשים בדרך כלל באנודות סוללות ויש לו זיקה גבוהה ליוני ליתיום, מה שמקל על נדידתם דרך החללים במבנה הנקבובי התלת מימדי ומאפשר שיקוע אלקטרוקט של ליתיום אחיד.
בניסויים, סוללות אנודה מתכת ליתיום המשלבות את המבנה התלת מימדי של הצוות הפגינו יציבות גבוהה לאחר למעלה מ-200 מחזורי טעינה-פריקה והשיגו צפיפות אנרגיה גבוהה של 344 וואט/ק"ג (אנרגיה למשקל התא הכולל). יש לציין כי ניסויים אלו נערכו באמצעות תאי פאוץ', המייצגים יישומים תעשייתיים בפועל, במקום תאי מטבעות בקנה מידה מעבדתי, המדגישים את הפוטנציאל החזק של הטכנולוגיה למסחור.
פרופסור Soojin Park מ-POSTECH הביע את משמעות המחקר בכך שאמר, "מחקר זה פותח אפשרויות חדשות למקסום צפיפות האנרגיה של סוללות מתכת ליתיום." ד"ר Gyujin Song מה-KIER הדגיש, "מבנה זה, המשלב תכונות קלות משקל עם צפיפות אנרגיה גבוהה, מייצג פריצת דרך בטכנולוגיית הסוללה העתידית."
המחקר נערך בתמיכת פרויקט של משרד המדע והתקשוב.
