توزيع الليثيوم في بطاريات الليثيوم

يعتمد مبدأ عمل بطاريات الليثيوم أيون على عملية اندماج أيونات الليثيوم وانفصالها بين مادتي القطب الموجب والسالب. أثناء الشحن، تنفصل أيونات الليثيوم عن مادة القطب الموجب وتنتقل إلى القطب السالب عبر محلول الإلكتروليت، حيث تكون مادة القطب السالب غنية بأيونات الليثيوم. وعلى العكس، أثناء التفريغ، تنفصل أيونات الليثيوم عن مادة القطب السالب وتعود إلى القطب الموجب. تتحدد سعة البطارية بشكل أساسي بعدد أيونات الليثيوم التي تندمج وتنفصل بشكل عكسي، وتتغير معايير أداء البطارية باختلاف ظروف الشحن والتفريغ أو خلال دورة الشحن والتفريغ. إذن، أين يذهب الليثيوم؟

تُخزن أيونات الليثيوم داخل البطارية بشكل رئيسي في الأماكن التالية:

(1) الليثيوم النشط الذي يتحرك ويخرج من بين الأقطاب الموجبة والسالبة؛;

(2) الليثيوم غير القابل للاستخدام والموجود في طبقة القطب السالب ولا يمكن إزالته؛;

(3) طبقة SEI المتكونة على سطح جزيئات القطب السالب؛;

(4) ترسب الليثيوم على سطح طلاء القطب السالب؛;

(5) الليثيوم المذاب في الإلكتروليت؛;

(6) فلوريد الليثيوم المتكون من تحلل الإلكتروليت؛;

(7) غشاء CEI المتكون على سطح جزيئات القطب الموجب؛;

(8) الليثيوم غير القابل للاستخدام والذي لا يمكن إزالته من داخل مواد القطب الموجب.

أثناء دورة شحن وتفريغ بطاريات الليثيوم أيون، أو في ظل معدلات شحن وتفريغ وظروف حرارية مختلفة، يتغير توزيع الليثيوم داخل البطارية. وقد درس باحثون في جامعة مونستر بألمانيا هذه الظاهرة.

خلال الدراسة، تم أولاً بناء هيكل بطارية على شكل حرف T. بعد أن تخضع البطارية لدورات شحن وتفريغ أو تقادم، يتم تفكيكها وتُنفذ الخطوات التالية:

.تُنظف الأقطاب الموجبة والسالبة أولاً باستخدام ثنائي ميثيل كربونات، ثم تُذاب في الماء باستخدام تفاعل الميكروويف. بعد تخفيف محلول التنظيف ومحلول الإذابة بالماء المقطر، يُحدد محتوى الليثيوم باستخدام تقنية البلازما المقترنة حثيًا (ICP).

.يتم نقع الحجاب الحاجز في حمض الهيدروكلوريك، ثم يتم تخفيف محلول النقع ثم اختباره لمعرفة محتوى الليثيوم بتقنية ICP.

.يتم غسل غشاء النايلون المستخدم في تجميع البطارية وتخفيفه بالماء المقطر، ثم يتم اختباره لمعرفة محتوى الليثيوم بتقنية ICP.

.يتم أيضًا اختبار المكونات الرئيسية الأخرى للبطارية من حيث محتوى الليثيوم بتقنية ICP بعد غسلها بالماء المقطر.

بالإضافة إلى ذلك، وللمقارنة، اختبر الباحثون محتوى الليثيوم في البطارية التي تم شحنها وتفريغها مرة واحدة بمعدل 0.1C، بافتراض تكوّن طبقة فاصلة صلبة بين الإلكتروليت والقطب (SEI) وطبقة فاصلة بين الإلكتروليت والقطب الموجب (CEI) على سطح القطب. لا تحتوي صفيحة القطب السالب الأصلية على الليثيوم، لذا يُعتبر محتوى الليثيوم فيها هو محتوى الليثيوم الذي يُشكّل طبقة SEI. أما محتوى الليثيوم في صفيحة القطب الموجب للبطارية المرجعية مطروحًا منه محتوى الليثيوم في صفيحة القطب الأصلية، فيُعتبر هو محتوى الليثيوم الإضافي الذي يُشكّل طبقة CEI. تبلغ دقة جميع نتائج الاختبار ±7%.