مختبر فرنسي يوضح كيف يحتفظ الليثيوم بحركته في إلكتروليتات البطاريات المركزة

سلط مختبر ليون بريلوين في فرنسا الضوء في 22 أكتوبر على دراسة تبحث سبب قدرة إلكتروليتات الماء في الملح على توصيل الأيونات بكفاءة رغم ارتفاع لزوجة السائل. وجمعت سيليا دوبليه وزملاؤها عدة تقنيات تجريبية لدراسة محاليل مائية مركزة من ملح الليثيوم LiTFSI. نُشرت الورقة في مجلة Journal of Physics: Energy في 8 أكتوبر؛ ويعرض الإعلان المخبري اللاحق هذا البحث، ولا يتعلق ببطارية جديدة مصنعة.

شملت التجارب تراكيز تمتد من 0.5 إلى 21 مولاً من الملح لكل كيلوغرام من الماء. ومع ارتفاع التركيز عبر هذا النطاق، انخفضت معاملات الانتشار الذاتي للماء والليثيوم بنحو 18 ضعفاً، بينما تراجع انتشار أنيونات TFSI بأكثر من 35 ضعفاً. وتصف هذه المقارنات تغير الحركة الجزيئية، وليست معدلات لشحن البطاريات أو زيادة في سعتها الطاقية.

يشير الفرق إلى أن الأنواع المختلفة لا تتأثر بمقاومة السائل بالطريقة نفسها. ويفسر الباحثون القياسات بوجود مناطق مؤقتة غنية بالماء ضمن بنية محيطة غنية بالأنيونات. ويمكن للماء التحرك سريعاً داخل هذه المناطق الصغيرة والانتقال بينها. وتتغير البنية بمرور الوقت، ما يقدم آلية تسمح للأنواع الصغيرة المحاطة بجزيئات المذيب بالاحتفاظ بحركتها رغم زيادة لزوجة السائل ككل.

قاس الفريق اللزوجة والتوصيل إلى جانب الرنين المغناطيسي النووي بتدرج المجال النبضي والتشتت النيوتروني شبه المرن. وتتبع الرنين الحركة عبر مسافات أطول، بينما درست قياسات النيوترونات حركات أقصر بكثير. واستُخدمت أجهزة SHARPER وIN16B وIN13 في معهد لاو لانجفان بفرنسا، وFOCUS في معهد بول شيرر بسويسرا. وفصل التحليل بين الانتشار الذاتي بعيد المدى للماء والحركة الانتقالية الموضعية ودوران الجزيئات، بدلاً من اعتبار كل الحركة عملية واحدة.

كان تحضير العينات مهماً لأن LiTFSI يمتص الرطوبة بسهولة. وجفف الباحثون الملح طوال الليل تحت التفريغ عند 120 درجة مئوية، وأزالوا الغازات من الماء بالأرجون، وحضروا المحاليل داخل صندوق قفازات مملوء بالأرجون. وشملت قياسات الرنين في الفرع الحراري الأعلى 25–45 درجة مئوية. وغطت قياسات اللزوجة عموماً 5–50 درجة، مع قيود عند درجات الحرارة المنخفضة للمحاليل الأشد تركيزاً بسبب ترسب الملح. وهذه شروط تجريبية، وليست حدود تشغيل موصى بها للبطاريات التجارية.

وقارنت الدراسة أيضاً قياسات النيوترونات مع استقطاب مطبق قدره 1 فولت ومن دونه، ولم تجد تغيراً قابلاً للكشف في ديناميات الماء التي درسها هذا الإعداد. ويؤكد المؤلفون أن التجربة قاست أساساً الجزء الحجمي من الإلكتروليت؛ وكانت مساهمة المنطقة البينية شديدة الرقة أصغر من أن تُفصل. لذلك لا تثبت النتيجة أن المجالات الكهربائية لا تؤثر في أسطح الأقطاب أو تحت شروط تجريبية مختلفة.

ويقول المؤلفون إن المعلمات الديناميكية الناتجة قد تساعد على ضبط محاكاة الديناميات الجزيئية، بما فيها المحاكاة المدعومة بالتعلم الآلي. وتتمثل المساهمة في تفسير مدعوم تجريبياً لانتقال المادة في نظام إلكتروليت محدد. وهي توفر معلومات لتصميم المواد ونمذجتها، بينما يتطلب الأداء التجاري أدلة مستقلة على الخلايا الكاملة ومتانة دورات الشحن وتكاليف الإنتاج وحجم التصنيع.