تم تزويد 2٪ فقط من المركبات بالكهرباء حتى الآن ، ولكن من المتوقع أن يصل ذلك إلى 30٪ في عام 2030. إن مفتاح تحسين تسويق المركبات الكهربائية (EVs) هو زيادة كثافة الطاقة الجاذبية - المقاسة بالواط / ساعة لكل كيلوغرام - باستخدام مواد أكثر أمانًا وقابلة لإعادة التدوير بسهولة وفيرة. يعتبر معدن الليثيوم في الأنودات بمثابة "الكأس المقدسة" لتحسين كثافة الطاقة في بطاريات السيارات الكهربائية مقارنة بالخيارات الحالية مثل الجرافيت عند 240 واط / كجم في السباق للوصول إلى كثافة طاقة أكثر تنافسية عند 500 واط / كجم.
يواجه الباحثون في جامعة هيوستن هذا التحدي مع زملائهم في جامعة رايس. أظهر الفريق تحسنًا مضاعفًا في كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم العضوية ذات الحالة الصلبة باستخدام عملية بمساعدة المذيبات لتغيير البنية المجهرية للإلكترود.
نحن نعمل على تطوير مواد كاثود عضوية منخفضة التكلفة ووفرة في الأرض وخالية من الكوبالت لبطارية صلبة لن تتطلب بعد الآن معادن انتقالية نادرة موجودة في المناجم ". "يعد هذا البحث خطوة إلى الأمام في زيادة كثافة طاقة بطارية EV باستخدام هذا البديل الأكثر استدامة.
تتضمن أي بطارية أنودًا ، يُعرف أيضًا باسم القطب السالب ، وكاثود ، يُعرف أيضًا باسم القطب الموجب ، يتم فصلهما في البطارية بواسطة غشاء مسامي. تتدفق أيونات الليثيوم عبر موصل أيوني - إلكتروليت ، يسمح بشحن وتفريغ الإلكترونات التي تولد الكهرباء ، على سبيل المثال ، للمركبة.
عادة ما تكون الإلكتروليتات سائلة ، لكن هذا ليس ضروريًا - يمكن أن تكون أيضًا صلبة ، وهو مفهوم جديد نسبيًا. يمكن لهذه الحداثة ، جنبًا إلى جنب مع أنود معدن الليثيوم ، منع قصر الدائرة وتحسين كثافة الطاقة وتمكين الشحن السريع.
عادة ما تحدد الكاثودات السعة و الجهد االكهربى من البطارية ، وبالتالي فهي أغلى جزء من البطاريات بسبب استخدام المواد النادرة مثل الكوبالت - من المقرر أن تصل إلى 65,000 طن في عام 2030. تستخدم الكاثودات القائمة على الكوبالت بشكل حصري تقريبًا في بطاريات الحالة الصلبة نظرًا لامتيازها أداء؛ في الآونة الأخيرة فقط ظهرت بطاريات الليثيوم العضوية المركبة (OBEM-Li) كبديل أكثر وفرة وأنظف يمكن إعادة تدويره بسهولة أكبر.
هناك قلق كبير يحيط بسلسلة التوريد لبطاريات الليثيوم أيون في الولايات المتحدة. في هذا العمل ، أظهر الباحثون إمكانية بناء بطاريات ليثيوم عالية الكثافة للطاقة عن طريق استبدال الكاثودات القائمة على المعدن الانتقالي بمواد عضوية تم الحصول عليها إما من مصفاة لتكرير النفط أو مصفاة حيوية ، وكلاهما تمتلك الولايات المتحدة أكبر قدرة في العالم.
تولد الكاثودات القائمة على الكوبالت 800 واط / كجم من الطاقة الخاصة بمستوى المادة ، أو الجهد مضروبًا في السعة ، كما هو الحال بالنسبة لبطاريات OBEM-Li ، والتي تم عرضها لأول مرة من قبل الفريق في منشوراتهم السابقة ، ولكن بطاريات OBEM-Li السابقة كانت مقتصرة على جزء الكتلة المنخفض من المواد الفعالة بسبب البنية المجهرية للكاثود غير المثالية. هذا توج إجمالي كثافة الطاقة.
اكتشف الفريق كيفية تحسين كثافة الطاقة على مستوى القطب في بطاريات OBEM-Li من خلال تحسين البنية المجهرية للكاثود لتحسين نقل الأيونات داخل الكاثود. للقيام بذلك ، تم تغيير البنية المجهرية باستخدام مذيب مألوف - الإيثانول. كان الكاثود العضوي المستخدم عبارة عن pyrene-4,5,9,10،XNUMX،XNUMX،XNUMX-tetraone أو PTO.
غالبًا ما يتم تفضيل الكاثودات القائمة على الكوبالت لأن البنية المجهرية مثالية بشكل طبيعي ولكن تشكيل البنية المجهرية المثالية في بطارية الحالة الصلبة العضوية يعد أكثر صعوبة.
على مستوى الإلكترود ، زادت البنية المجهرية بمساعدة المذيبات كثافة الطاقة إلى 300 واط / كجم مقارنة بالبنية المجهرية المختلطة الجافة عند أقل من 180 واط / كجم عن طريق تحسين معدل استخدام المادة الفعالة بشكل ملحوظ. في السابق ، كان من الممكن زيادة عدد المواد الفعالة ولكن نسبة الاستخدام كانت لا تزال منخفضة ، بالقرب من 50٪.
على مدى السنوات العشر الماضية ، كانت تكلفة EV انخفضت البطاريات إلى ما يقرب من 10٪ من تكلفتها الأصلية ، مما يجعلها مجدية تجاريًا. لذلك ، يمكن أن يحدث الكثير خلال عقد من الزمان. يعد هذا البحث خطوة محورية في العملية نحو مركبات كهربائية أكثر استدامة ونقطة انطلاق للعقد القادم من البحث. بهذا المعدل ، ربما تمامًا كما هو الحال في التعبير الملطف ، يبدو المستقبل أكثر خضرة على الجانب الآخر.