الأشياء الأساسية التي يجب معرفتها:
- تقدم AIB تكنولوجيا: توفر بطاريات أيون الأمونيوم (AIBs) بديلاً أكثر أمانًا وصديقًا للبيئة للبطاريات التقليدية، وذلك باستخدام أسيتات الأمونيوم (NH4Ac) الذي يمنع نمو التغصنات ويعزز عمر البطارية.
- مواد الأنود المبتكرة: تُظهر التطورات الحديثة في مواد الأنود مثل MXenes، التي تم استكشافها من خلال حسابات DFT، أداءً واعدًا للجهد المنخفض وكثافة طاقة عالية.
- السلوك الكاذب: تُظهر أنودات MXene في AIBs سلوكًا سعويًا كاذبًا فريدًا مع NH4Ac، مما يحقق قدرة عالية واستقرارًا على مدار 5000 دورة، وهو تقدم كبير مقارنة بالمواد الأخرى.
- التحسينات المدعومة بالأبحاث: دراسات مثل تلك التي أجراها صن وآخرون. تأكيد فوائد استخدام خلات الأمونيوم، وتعزيز السلامة والفعالية الشاملة لـ AIBs.
كثير بنيات البطارية موجودة الآن بينما يحاول المهندسون والعلماء التحول منها بطاريات ليثيوم أيون لمحاولة جلب أنظمة بطاريات جديدة ذات كثافة طاقة عالية، أو يمكن شحنها بشكل أسرع، أو أكثر صداقة للبيئة. في السنوات الأخيرة، تم تسويق العديد من بنيات البطاريات الجديدة تجاريًا بعد سنوات من التطوير الأكاديمي، وبدأت البطاريات الجديدة الأخرى في أخذ مكانها في العالم الأكاديمي.
إحدى هذه البطاريات هي بطاريات أيونات الأمونيوم (AIBs)، التي تستخدم إلكتروليتات مائية، لذا فهي أكثر أمانًا وأقل عرضة للهروب الحراري. تتمتع AIBs بتكلفة منخفضة واستقرار متأصل وخصائص كهروكيميائية جيدة وصديقة للبيئة. يعد هذا مجالًا جديدًا لأبحاث البطاريات مقارنة ببعض الأنظمة الأكثر رسوخًا، وعلى الرغم من وجود إمكانية لإنشاء بطاريات أكثر صديقة للبيئة، فقد تم إعاقة AIBs بسبب التحديات في تصميم الأنود.
إمكانات بطاريات الأمونيوم
AIBs هي بطاريات قابلة للشحن التي تستخدم أيونات الأمونيوم (NH4+) كحاملات للشحنة. بالمقارنة مع أيونات المعادن التقليدية - Li+، Na+، K+، Zn2+ وMg2+ - تتمتع أيونات الأمونيوم بخصائص انتشار سريعة في الإلكتروليتات المائية (المعتمدة على الماء) بسبب وجود نصف قطر أيوني أصغر وكتلة مولية أخف. لا تواجه أيونات الأمونيوم أيضًا نموًا شجيريًا - والذي غالبًا ما يكون مسؤولاً عن قصر دائرة البطارية - على عكس الكثير بطاريات الأيونات المعدنية، لذلك هناك إمكانية لإنشاء بطاريات أكثر أمانًا تتحلل بشكل أبطأ. تعد إلكتروليتات أيونات الأمونيوم أيضًا صديقة للبيئة أكثر من المذيبات العضوية المستخدمة في بطاريات الأيونات المعدنية، كما أنها أرخص بكثير أيضًا. واحدة من الشوارد الأكثر شيوعا هي خلات الأمونيوم (NH4Ac).
لمزيد من التأكيد على الفوائد البيئية والسلامة التشغيلية لبطاريات AIBs، تسلط الدراسات الحديثة، مثل تلك التي أجراها Sun et al.، الضوء على دور إلكتروليتات خلات الأمونيوم (NH4Ac) في تعزيز استقرار وقدرة هذه البطاريات. على عكس الإلكتروليتات التقليدية، يساعد NH4Ac على منع تكوين التشعبات، والتي غالبًا ما تشكل خطرًا كبيرًا على السلامة في عمليات البطارية. لا تعمل هذه الخاصية على تحسين السلامة فحسب، بل تعمل أيضًا على إطالة عمر البطارية بشكل كبير، مما يجعل AIBs خيارًا أكثر استدامة على المدى الطويل.
تظهر كل هذه الخصائص أن هناك الكثير من الإمكانات للبطاريات AIB، خاصة وأن هذه الخصائص غالبًا ما يُنظر إليها على أنها مزايا مقارنة ببطاريات الأيونات المعدنية، والتي أصبحت المعيار التجاري اليوم. لقد تم بذل الكثير من العمل في تصميم الكاثود للـ AIBs، ويمكن الآن تحقيق قدرات محددة عالية. تتضمن أمثلة الكاثود المواد القائمة على النيكل، والمنغنيز، والفاناديوم. ومع ذلك، لم يتم بذل الكثير من الجهد في تصميم الأنود، والتفاعل بين الأنود والكهارل هو مجال لا يزال بحاجة إلى مزيد من التطوير.
التطورات في مواد الأنود الجديدة
الأنود هو حاليًا العامل المحدد لـ AIBs، حيث لا توجد العديد من مواد الأنود حتى الآن ذات جهد تشغيل منخفض. لقد اقتصر تطوير أنودات AIB في المقام الأول على أكسيد الفلزات الانتقالية/الكبريتيدات والبوليمرات العضوية. هذه ليست مواد مثالية لأن المركبات المعدنية الانتقالية تميل إلى أن تكون ذات قدرات ضعيفة، وأنود البوليمر لديه معدل ذوبان مرتفع، مما يؤدي إلى ضعف استقرار التدوير. وقد أدى هذا إلى جعل الكثير من AIBs التي تم تطويرها حتى الآن غير مجدية للتطبيقات العملية.
وعلى الرغم من التحديات المادية، لا يزال يتم تقديم المواد الجديدة وتجريبها. إحدى فئات المواد التي تم وصفها كحل محتمل هي مكينز. MXenes عبارة عن مواد ثنائية الأبعاد تم إنشاؤها من مادة الطور MAX، والتي لها الصيغة العامة Mn+2AXn. في هذا التركيب الكيميائي، M هو معدن انتقالي مبكر، A عبارة عن مجموعة 1 أو 13 عنصر وX إما كربون أو نيتروجين.
يتمتع MXene بمجموعة من الخصائص المفيدة للأقطاب الكهربائية. على سبيل المثال، تتمتع بموصلية كهربائية ممتازة ونشاط سطحي مرتفع، والطريقة التي تتراكم بها الطبقات فوق بعضها البعض هي طريقة مرغوبة لتخزين الأيونات، خاصة بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من المواد النانوية. لذلك، يُنظر إلى MXenes على أنها فائدة محتملة لـ AIBs، ويتم حاليًا إجراء الكثير من العمل النظري لمعرفة ما إذا كانت تستحق المزيد من الاستكشاف التجريبي.
يتم دعم إمكانات MXenes كمواد أنود فعالة في بطاريات أيون الأمونيوم من خلال حسابات مفصلة لنظرية الكثافة الوظيفية (DFT). كما هو موضح في الشكل 1 أدناه، تكشف هذه الحسابات عن انخفاض إمكانات العمل والسلوك السعوي الكاذب العالي لمواد MXene، وتحديدًا V2CTx، مما يشير إلى ملاءمتها للتطبيقات عالية الأداء في تكنولوجيا البطاريات.
a تم تصوير المنظور الجانبي للنموذج الهيكلي لـ V2CTx MXene. تمثل المجالات الملونة باللون الرمادي والأسود والبرتقالي نهايات V وC وT، على التوالي. ب ، ج يتم عرض منحنيات الجهد الكهروستاتيكي المتوسطة المستوى لـ V2CO2 وV2CF2 على التوالي. d تم توضيح منحنى الجهد الكهروستاتيكي المتوسط المستوى لـ 1T-MoS2. e تم توضيح العلاقة بين دالة العمل والنافذة التشغيلية المحتملة للمواد ثنائية الأبعاد التي تمت دراستها في هذا البحث.
في تأكيد مدى ملاءمة MXenes لتطبيقات AIB، تم توضيح البحث في طبيعة الاتصالات بواسطة أحد وآخرون. يناقش خصائص السعة الكاذبة لـ V2CTx MXenes عند استخدامها مع إلكتروليتات NH4Ac. لا تعد هذه المواد بإمكانات عمل أقل فحسب، بل تُظهر أيضًا استقرارًا معززًا وكثافة طاقة، وهو أمر بالغ الأهمية للبطاريات عالية الأداء. يعزز النشاط السطحي العالي المتأصل لـ MXenes كفاءتها، مما يؤدي بشكل كبير إلى تطوير تصنيع الأنود في تقنيات البطاريات المستدامة.
تقترح حسابات DFT أفضل إلكتروليت مائي لأنودات MXene
نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) هي تقنية راسخة في المجال النظري والتحليلي الكيمياء الحسابية وغالبًا ما يستخدم لنمذجة واستكشاف خصائص أنظمة المواد المختلفة لمعرفة ما إذا كانت مجدية لتطبيق معين (وكذلك لاستنتاج بنيتها). أظهرت حسابات DFT أن MXene، V2CTx، لديه أقل نافذة محتملة للعمل مقارنة بالمواد الأخرى القائمة على الفاناديوم، لذلك لديه القدرة على أن يكون مادة أنود واعدة للـ AIBs.
لقد بحث الباحثون الآن بشكل أعمق في أنود MXene باستخدام مجموعة من حسابات DFT وطرق توصيف المواد الفيزيائية لمعرفة كيفية تفاعله مع المنحل بالكهرباء المائي وللتحقق من الشكل الذي قد يبدو عليه أداء هذه الأنودات. وجد الباحثون أن أنود MXene يُظهر سلوكًا سعويًا كاذبًا لتخزين أيون الأمونيوم، بسعة محددة تبلغ 115.9 مللي أمبير جم-1 عند 1 أمبير جم-1 واحتفاظ بقدرة 100% بعد 5000 دورة عند 5 أمبير جم-1.
على الرغم من تجربة العديد من الإلكتروليتات المائية باستخدام أنود MXene - بما في ذلك (NH4) 2SO4 وNH4Cl و(NH4) 2C2O4 وNH4Me - فإن الإلكتروليت الوحيد الذي أظهر فيه أنود MXene هذا السلوك السعوي الكاذب كان مع إلكتروليت أسيتات الأمونيوم NH4Ac. إن أداء السلوك السعوي الكاذب المعروض بين أنود MXene والكهارل NH4Ac يفوق جميع الأقطاب الكهربائية المكتوبة بالسعة في AIBs حتى الآن.
لاستكشاف خصائص الأنود وتفاعله مع المنحل بالكهرباء، فى الموقع تم إجراء قياسات التوازن الدقيق لبلورات الكوارتز الكهروكيميائية (EQCM) والتي أظهرت عملية كهروكيميائية من خطوتين تولد سلوك التخزين الكاذب في إلكتروليت خلات الأمونيوم.
تمت متابعة النتائج التجريبية من خلال حسابات DFT وعمليات المحاكاة لفهم هذه العملية الكهروكيميائية بشكل أفضل. يتضمن الجزء الأول من العملية الامتزاز/الترسيب الكهروستاتيكي لـ NH4+ على سطح MXene. في الخطوة الثانية من العملية، يحدث تفاعل الأكسدة والاختزال بين مجموعات d-V2CTx من الأنود ومجموعات [NH4+(HAc)3] من الإلكتروليت. أثناء عملية الأكسدة والاختزال هذه، يعمل أيون NH4+ المركزي كبروتون زائف، مما يسهل تناوب نهايات V2CTx. يؤدي هذا بعد ذلك إلى تغيير حالة التكافؤ لأيونات الفاناديوم في المجمع، مما يعزز نقل الشحنة.
إن الاستخدام المبتكر لخلات الأمونيوم في AIBs المستندة إلى MXene لا يحسن الاستقرار الكهروكيميائي فحسب، بل يعزز أيضًا قدرة تخزين الطاقة كما هو مفصل بواسطة Sun et al. يُعزى هذا الإنجاز إلى التفاعل الفريد بين أيونات NH4+ والكهارل، مما يسهل نقل الأيونات بكفاءة واستقرار الدورة القوي، مما يضع الأساس لحلول تخزين الطاقة من الجيل التالي.
وأكد الباحثون أيضًا تأثير تعزيز أيون الأسيتات في بطارية أيون الأمونيوم القائمة على MoS2 (مادة ثنائية الأبعاد أخرى في عائلة ثنائي كالكوجينيد الفلز الانتقالي). القدرة على استخدامها مع مواد مختلفة تعني أنه يمكن استخدام المنحل بالكهرباء الأسيتات جنبًا إلى جنب مع مواد ثنائية الأبعاد مختلفة لتحسين قدرة AIBs. يتمتع هذا النهج أيضًا بالقدرة على كسر قيود السعة في كل من Faradaic (الأكسدة والاختزال) وغير Faradaic (التفاعلات الكهروستاتيكية فقط) ويمكن أن يوفر طريقة لتحسين AIBs المختلفة ويؤدي إلى إنشاء بطاريات أكثر استدامة.
التأثير البيئي واعتبارات السلامة لبطاريات أيون الأمونيوم
لا يعد التحول نحو بطاريات أيون الأمونيوم (AIBs) مجرد تحسين تقني مقارنة بأنظمة البطاريات التقليدية، ولكنه أيضًا خطوة مهمة إلى الأمام في الحفاظ على البيئة. تستخدم AIBs مواد أقل خطورة وتتضمن تفاعلات كيميائية أكثر أمانًا، مما يقلل من مخاطر الحوادث ويقلل التلوث البيئي. دراسات مثل تلك التي أجراها صن وآخرون. في طبيعة الاتصالات لقد أظهر أن استخدام الشوارد الأكثر أمانًا مثل خلات الأمونيوم يخفف بشكل كبير من المخاطر مثل الهروب الحراري والترشيح الكيميائي، مما يجعل AIBs خيارًا مفضلاً لتخزين الطاقة المستدامة.
مرجع:
صن زد وآخرون، إلكتروليت خلات لتعزيز القدرة الكاذبة في بطاريات أيون الأمونيوم المائي، Nature Communications، 15، (2024)، 1934.