قطب سالب ليثيوم مَركب بطبقات مانعة للاشتعال ذكية لبطارية ليثيوم آمنة

لماذا تهم البطاريات الأكثر أمانًا

قد تزود بطاريات معدن الليثيوم السيارات الكهربائية بمسافات قيادة أطول والهواتف بأجسام أنحف، لكنها تحمل خطرًا كامناً: يمكن أن يحترق معدن الليثيوم بشكل شديد إذا حدث خلل ما. تقدم هذه الدراسة طريقة ذكية لبناء طرف الليثيوم في البطارية بحيث يمكنه إخماد حريقه بنفسه إلى حد كبير مع الحفاظ على سعة عالية لتخزين الطاقة. تُظهر الدراسة كيف أن هيكلًا مكدسًا بعناية حول معدن الليثيوم يمكن أن يمنع اللهب ويُبقي البطارية عاملة بعد تعرّضها لإساءة استخدام خطيرة.

مخاطر الحريق داخل بطاريات معدن الليثيوم

يُعد معدن الليثيوم مغريًا لأنه يستطيع تخزين شحنة أكبر بالنسبة إلى وزنه مقارنة بمعظم مواد البطاريات الأخرى. ومع ذلك، فهو شديد التفاعل ويمكن أن يشتعل بسهولة عند تعرضه للحرارة أو الهواء أو الرطوبة، مما يؤدي إلى لهب شديد عالي الحرارة يصعب إخماده. تركز جهود السلامة الحالية في الغالب على استخدام سوائل داخلية أقل قابلية للاشتعال أو فواصل أقوى بين القطبين الموجب والساالب. تساعد هذه الإجراءات، لكنها لا تزيل المشكلة الأساسية: إذا اشتعل معدن الليثيوم نفسه، فقد تفشل البطارية بطريقة دراماتيكية. إن مزج مواد مانعة للاشتعال التقليدية مباشرةً مع معدن الليثيوم لا ينجح، لأن الليثيوم يتآكل هذه الإضافات ويقضي على قدرتها على كبح الحريق وكذلك على سعة البطارية.

درع متعدد الطبقات حول معدن الليثيوم

صمّم الباحثون قطبًا سالبًا جديدًا من معدن الليثيوم مبنيًا ككومة من أربع طبقات متعاونة. في الأسفل إطار خفيف مسامي مصنوع من أكسيد الجرافين يوفر دعمًا ميكانيكيًا ومساحة كبيرة للّيثيوم. داخل هذا الإطار طلاء لمركب مانع للاشتعال صلب يسمى ثلاثي فنيل الفوسفات. أعلاه تُنمو طبقة رقيقة جدًا ومتجانسة من أكسيد الزنك، التي تجذب الليثيوم المذاب وتعمل كحاجز بين الليثيوم والمادة المانعة للاشتعال. أخيرًا، يُحقن معدن الليثيوم في المسام ليملأ المنطقة الخارجية من البنية. يحفظ هذا الترتيب مادة الإطفاء المعزولة بعيدًا عن الليثيوم أثناء الاستخدام العادي، مما يتجنب التفاعلات الجانبية المدمرة التي تعاني منها الخلطات البسيطة، بينما يتركها جاهزة للعمل في حالة الطوارئ.

كيف تعمل الحماية الذكية من اللهب

عند التعرض لهب ساخن، يتصرف هذا القطب المكدس بشكل مختلف جدًا عن معدن الليثيوم العادي. يُبطئ الإطار المسامي الحرارة ويُوزعها، بحيث تبقى معظم البنية أبرد بكثير من نقطة الاشتعال، حتى عندما تُسخَّن جهة واحدة بقوة. مع ارتفاع درجة الحرارة، تتحلل طبقة مانعة الاشتعال المخفية تدريجيًا وتطلق غازات تتسرب عبر قنوات دقيقة إلى سطح الليثيوم. تُظهر النماذج الحاسوبية والتصوير أن هذه الغازات تشكل بطانية حول القطب تدفع الأكسجين بعيدًا وتقاطع سلاسل التفاعلات الكيميائية التي تغذي الاحتراق. في الوقت نفسه، ترتبط شظايا من جزيئات المادة المانعة للاشتعال بقوة بذرات الليثيوم، مما يقطع عملية الاحتراق أكثر. نتيجة لذلك، لا تستمر عينات القطب الجديد في الاحتراق حتى بعد تعريضها لهيب بدرجة حرارة 600 مئوية، بينما يحترق الليثيوم العادي والقدرة المركبة البسيطة مع المانع للاشتعال بعنف ويتحللان.

الحفاظ على عمل البطارية أثناء الحريق وبعده

والأهم أن فوائد السلامة لا تأتي على حساب الأداء. في دورات البطارية العادية، تمنع طبقة أكسيد الزنك المادة المانعة للاشتعال من الذوبان في الإلكتروليت السائل ومهاجمة الليثيوم. يؤدي ذلك إلى واجهة أكثر استقرارًا حيث يمكن للّيثيوم الطبقة والإزالة بسلاسة، متجنبًا نموات إبرةية والحفاظ على مقاومة داخلية منخفضة. في الاختبارات، يدعم القطب المكدس دورات شحن وتفريغ أكثر بكثير من الليثيوم العادي أو الخليط البسيط مع المادة المانعة للاشتعال. حتى بعد الاشتعال المباشر، يبقى معظم الليثيوم في التصميم المكدس سليمًا وقابلًا للاستخدام، لذا يمكن للخلايا المصنوعة به أن تواصل العمل لمئات الساعات، بينما تفشل الخلايا التي تستخدم الليثيوم العادي تمامًا بعد الانصهار والاحتراق.

ما يعنيه هذا للأجهزة المستقبلية

لإظهار التأثير الواقعي، بنى الفريق خلايا كيسية بحجم وشكل مماثلين لبطاريات تجارية صغيرة. عندما تعرض الجانب الليثيومي لخلية ليثيوم معدنية قياسية للهب، التهم اللهب البطارية بأكملها ودمرها. بالمقابل، استمرت الخلايا التي تستخدم القطب المكدس الذكي في تشغيل ضوء دون أن تنفجر أو تشتعل، حتى تحت اشتعال متكرر أو طويل الأمد. عمومًا، تُظهر الدراسة أن إحاطة معدن الليثيوم بمضيف مُهندَس بعناية ومُكوَّن من طبقات مانعة للاشتعال يمكن أن تحول مادة مشتعلة بشكل سيء إلى مكوّن بطارية أكثر أمانًا بكثير، مع الحفاظ على عمر طويل وطاقة عالية. قد يساعد هذا النهج في جعل بطاريات معدن الليثيوم من الجيل القادم، وربما بطاريات فلزية أخرى، أكثر أمانًا للاستخدام اليومي.

الاستشهاد: Qi, H., Deng, L., Liu, Y. et al. Smart-flame-retarding layered composite Li negative electrode for safe Li metal battery. Nat Commun 17, 4438 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71069-9

الكلمات المفتاحية: بطاريات معدن الليثيوم, سلامة البطارية, قطب مانع للاشتعال, رغوة أكسيد الجرافين, طبقة أكسيد الزنك