تشكيل مخصّص لطبقة التلامس الصلبة للإلكتروليت على معدن الليثيوم عن طريق تعديل حقل كهربائي لاتجاه حركة الأنيونات

بطاريات أكثر أمانًا وطول عمر للأجهزة اليومية

تعتمد الحياة الحديثة على البطاريات القابلة للشحن، من الهواتف الذكية إلى السيارات الكهربائية. لكن بطاريات الليثيوم-أيون الحالية تقترب من حدود طاقتها وتعتمد على سوائل قابلة للاشتعال يمكن أن تغذي الحرائق إذا حدث خطأ ما. تبحث هذه الدراسة في سائل بطارية جديد غير قابل للاشتعال لا يجعل بطاريات معدن الليثيوم عالية الطاقة أكثر أمانًا فحسب، بل يساعدها أيضًا على العمل لفترة أطول بكثير، حتى تحت ظروف قاسية.

سائل جديد مصمم لمقاومة الحريق

يبدأ الباحثون بمذيب خاص يُسمى فوسفات ثلاثي الإيثيل، وهو بطبيعته مقاوم للاشتعال. لوحده، مع ذلك، لا يتوافق هذا المذيب جيدًا مع معدن الليثيوم شديد النشاط الذي يمكن أن يفتح طاقة أعلى بكثير مقارنة بالأنودات الرسّية الحالية. عندما تلتقي السوائل البطارية التقليدية مع معدن الليثيوم، فإنها تميل إلى التحلل وتشكيل طبقة سطحية هشة، مما يؤدي إلى عمر خدمة ضعيف ومشكلات أمنية. لإصلاح ذلك، يضيف الفريق خليطًا مختارًا بعناية من ثلاث أملاح ليثيوم إلى المذيب غير القابل للاشتعال، مكوّنين إلكتروليتًا يمكنه نقل الشحنة بكفاءة وبناء غشاء واقٍ قوي على معدن الليثيوم.

توجيه الأيونات بحقل كهربائي

في صميم التصميم يكمن تفاعل الأنيونات المختلفة المشحونة سالبًا في السائل مع أيونات الليثيوم تحت حقل كهربائي أثناء عمل البطارية. باستخدام محاكاة حاسوبية، يُظهر المؤلفون أن اثنين من الأنيونات (من ثنائي فلورو بورات الليثيوم ونترات الليثيوم) تلتصقان بقوة بأيونات الليثيوم. بينما تتحرك أيونات الليثيوم نحو سطح المعدن أثناء الشحن، تجر هذه الأنيونات معها وتتزاحم بالقرب من الليثيوم. أما الأنيون الثالث (من تترافلورو بورات الليثيوم) فيتكوّن ارتباطه أضعف، فيبقى أبعد ويتحرك بحرية أكبر في السائل. هذا السلوك غير المتكافئ يعني أن الأملاح لا تتحلل في نفس المكان: الأنيونات المرتبطة بقوة تتحلل مباشرة عند سطح الليثيوم، بينما يتفاعل الأنيون الأضعف بشكل أساسي في منطقة أبعد.

بناء غشاء واقٍ ذكي

هذا التحلل المسيطر يبني طبقة صلبة «ذكية» تُسمى طبقة التلامس الصلبة للإلكتروليت (SEI) ذات بنية متعمدة. بالقرب من معدن الليثيوم، تكون الطبقة غنية بمركبات تحتوي على البورون والنتروجين، التي تشكل مصفوفة مرنة شبيهة بالزجاج وطورًا موصلاً للغاية من نيتريد الليثيوم. تساعد هذه المكونات الداخلية أيونات الليثيوم على التحرك بسرعة وتوزيع متساوٍ، مما يقلل من احتمال نمو تفرعات إبرية حادة تُسمى الشُعَيْرات (dendrites) التي قد تخترق الفاصل. في المنطقة الخارجية، ينتج تحلل الملح المحتوي على الفلور قشرة غنية بفلووريد الليثيوم، وهو مركب صلب ومستقر يُقوّي السطح ويزيد من منع نمو الشُعَيْرات. تؤكد التجارب باستخدام مجاهر متقدمة ومجسات سطحية هذا التدرج الداخلي–الخارجي وتظهر أن طبقة SEI الجديدة قوية ميكانيكيًا وموصلة بدرجة عالية.

أداء أقوى عند كلا القطبين

تظهر فوائد الإلكتروليت المصمم على جانبي البطارية. على جانب معدن الليثيوم، تُظهر خلايا الاختبار ترسيبات ليثيوم أكثر سلاسة وكثافة وعددًا أقل بكثير من الشُعَيْرات مقارنة بتلك التي تستخدم سائل كربونات قابل للاشتعال قياسي. تعمل الخلايا لأكثر من 1000 ساعة في اختبارات بسيطة لمعدن الليثيوم وتحافظ على كفاءة عالية عند تكرار طلاء وزرع الليثيوم. على الجانب الموجب، يزاوج الفريق الإلكتروليت مع مادة كاثود عالية الطاقة تُدعى NCM811، وهي شائعة في خلايا المركبات الكهربائية المتقدمة. عند الفولتية العالية حيث تفشل العديد من الإلكتروليتات، يشكل السائل الجديد غشاءًا رقيقًا ذو طابع غير عضوي في الغالب على سطح الكاثود. يقلل هذا الغشاء التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها، ويمنع ذوبان ذرات المعادن من الكاثود إلى السائل، ويساعد في الحفاظ على بنية بلورات الكاثود أثناء عمليات الشحن والتفريغ المتكررة.

طاقة عالية، عمر طويل، وسلامة محسّنة

مجتمعين، تؤدي هذه التأثيرات إلى بطارية معدن ليثيوم عالية الأداء وأكثر أمانًا أيضًا. يمكن للخلايا الكاملة التي تستخدم الإلكتروليت الجديد العمل عند جهد قطع عالٍ قدره 4.5 فولت لأداء 600 دورة مع الاحتفاظ بنحو 90% من سعتها في درجة حرارة الغرفة، وأكثر من 80% عند 60 °م — أرقام أفضل بكثير من خلايا السوائل التقليدية. توفر خلية حقيبة عملية مع كاثود عالي التحميل طاقة نوعية تقارب 430 واط-ساعة لكل كيلوجرام من كتلة الخلية الكلية وما زالت تحافظ على معظم سعتها بعد عشرات الدورات. تُظهر اختبارات الحرارة واللهب أن الإلكتروليت غير القابل للاشتعال يقلل بشكل كبير من الطاقة المُطلقة أثناء ارتفاع درجة الحرارة ويقاوم الاشتعال مقارنة بالتركيبات التجارية. ببساطة، تبيّن الدراسة أنه من خلال توجيه حركة وتحلل الأيونات المختلفة في حقل كهربائي بعناية، يمكن بناء سائل غير قابل للاشتعال يحمي كلا القطبين، مما يمكّن بطاريات معدن الليثيوم عالية الطاقة من أن تدوم أطول وتكون أقل عرضة لمخاطر الحريق.

الاستشهاد: Xu, S., Zheng, L., Guo, X. et al. Customized composition of lithium metal solid-electrolyte interphase by electric field modulation of anion motion direction. Nat Commun 17, 1790 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68498-x

الكلمات المفتاحية: بطاريات معدن الليثيوم, إلكتروليت غير قابل للاشتعال, طبقة التلامس الصلبة للإلكتروليت, أقطاب موجبة عالية الجهد, سلامة البطارية