باحثون في جامعة Cornell يقلصون زمن تشكيل بطاريات الليثيوم أيون بنسبة 60%
قدّم باحثون في جامعة Cornell طريقة تقلص زمن تشكيل بطاريات الليثيوم أيون بنسبة تصل إلى 60%. وقد يؤدي هذا التقدم إلى توفير يصل إلى 100 مليون دولار لمنشآت تصنيع البطاريات على نطاق واسع.
وبالتعاون مع Charge CCCV (C4V)، وهي شركة بطاريات مقرها نيويورك، استخدم الباحثون قياسات آنية لمراقبة التغيرات الكيميائية خلال دورات الشحن والتفريغ الأولية للبطاريات. وتُعد عملية التشكيل، التي تنشئ طبقات واقية داخل البطارية، من أكثر مراحل إنتاج خلايا الليثيوم أيون استهلاكاً للوقت والتكلفة.
ووفقاً للباحثين، تمثل عملية التشكيل نحو ثلث تكاليف الإنتاج الإجمالية وتشغل قرابة ربع مساحة أرضية التصنيع. وبتسريع هذه المرحلة، قد يخفف المصنّعون اختناقات الإنتاج، ويحسّنون استخدام مساحة المصنع، وقد يقللون استهلاك الكهرباء بنسبة تُقدّر بين 10% و15%.
تقنيات المراقبة الآنية
تتضمن عملية تشكيل البطاريات التقليدية دورات متعددة من الشحن والتفريغ في ظروف خاضعة لرقابة صارمة لإنشاء واجهات واقية بين الأقطاب والكهرل. غير أن المصنّعين كثيراً ما يفتقرون إلى رؤية واضحة لتطور هذه الطبقات أثناء العملية، ما يجعل التنبؤ بأداء البطارية على المدى الطويل أمراً صعباً.
وأشارت Vibha Kalra، أستاذة الهندسة الكيميائية في Cornell والباحثة الرئيسية في الدراسة، إلى أن تقييم عمليات التشكيل يعتمد عادة على التجربة والخطأ، وقد يستغرق أشهراً أو حتى سنوات. وللتغلب على هذا القيد، جمع الباحثون بين تقنيتين تشخيصيتين: مطيافية Raman العاملة (operando Raman spectroscopy)، التي تتبع التغيرات الكيميائية على أسطح الأقطاب، ومطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (electrochemical impedance spectroscopy)، التي تقيس التغيرات في المقاومة الكهربائية.
وأتاح هذا الجمع للفريق مراقبة تكوّن الطبقات الواقية وتحديد اللحظة التي تستقر فيها الخصائص الكيميائية والكهربائية الرئيسية. واكتشفوا أن الشحن الأبطأ أدى إلى طبقات واقية أكثر تجانساً وغنية بالمركبات غير العضوية، وهي ضرورية لأداء مستقر للبطارية. في المقابل، أمكن تسريع مرحلة التفريغ دون الإضرار بعملية التشكيل.
الاختبارات والنتائج
وباستخدام نتائجهم، طوّر الباحثون بروتوكولين لتسريع التشكيل واختبروهما في منشأة C4V في بينغهامتون بولاية نيويورك. وأظهر البروتوكولان أداءً مماثلاً للطرق التقليدية مع تحقيق خفض في زمن التشكيل بنحو 60%.
وشدد Shalabh Gupta، مدير هندسة الأنظمة في C4V، على أهمية التعاون بين المؤسسات البحثية والمصنّعين لتطوير صناعة البطاريات. وأشار إلى أن التشكيل يمثل أيضاً نحو ربع استهلاك الكهرباء في مصنع البطاريات، وأن تقليص زمن التشكيل قد يخفض استهلاك الكهرباء الإجمالي بنسبة 10% إلى 15%.
وبالنسبة للعمليات واسعة النطاق التي تنتج أكثر من 10 غيغاواط ساعة من البطاريات سنوياً، قد يؤدي هذا النهج المبتكر إلى خفض كبير في التكاليف، قد يصل إلى 100 مليون دولار من التوفير. غير أن هذه التوقعات لم تُتحقق بعد بنتائج تجارية.
وحظي البحث بدعم من Energy Storage Engine التابع لمؤسسة العلوم الوطنية في Upstate New York، والذي يهدف إلى تعزيز التعاون بين الجامعات والشركاء الصناعيين لتطوير تقنية البطاريات. ونُشرت النتائج في مجلة Energy Storage Materials.
المصدر: Interesting Engineering