إنتاج موادّ القطب السالب النشطة لبطّاريّات الليثيوم-أيون في درجات الحرارة المنخفضة

سنتحدّث في هذا المقال عن الموادّ النشطة المكوِّنة للقطب السالب في بطّاريّات الليثيوم-أيون (LIB)، وإنتاجها.

تُعدّ طبقات أكسيد الليثيوم والكوبالت (Layered Lithium Cobalt Oxide) المكوّن الرئيسيّ لبطّاريّات الليثيوم-أيون، وهي من أكثر البطّاريّات استعمالاً في الأجهزة الإلكترونيّة الاستهلاكيّة والسيّارات الكهربائيّة، ويُمثّل أكسيد الليثيوم والكوبالت (LiCoO2) المُكوّن الرئيسيّ المُستعمل في القطب السالب للأجهزة الإلكترونيّة المحمولة.

في السابق، تَطلّب صنع أكسيد الليثيوم والكوبالت حرارةً تزيد عن 800 درجة مئويّة، وزمناً يتراوح بين 10 إلى 20 ساعة، ثمَّ طَوّر فريق من الباحثين في جامعتي Hokkaido وKobe بقيادة البروفيسور Masaki Matsui في كلّيّة العلوم في جامعة Hokkaido طريقة جديدة لتصنيعه بدرجات حرارة منخفضة تصل إلى 300 درجة مئويّة، وخلال مدّة زمنيّة قصيرة تبلغ 30 دقيقة، ونُشرت هذه الطريقة في مجلّة الكيمياء اللاعضويّة (Inorganic Chemistry Journal)، ويوضِّح Matsui: “يمكن تصنيع أكسيد الليثيوم والكوبالت عادةً وفق بنيتين إحداهما مشابهة لطبقات الملح الصخريّ، ويُسمّى طور الحرارة المرتفعة ، والأخرى بنية هيكل الإسبنيل (Spinel-framework structure، وهو معدن ينتمي إلى مجموعة الأكاسيد)، ويُسمّى طور الحرارة المنخفضة ، ليستعمل الأكسيد الناتج في بطّاريّات الليثيوم-أيون”.

مستعملين هيدروكسيد الكوبالت وهيدروكسيد الليثيوم كموادّ أوّليّة، وهيدروكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم كموادّ إضافيّة، أجرى فريق الباحثين سلسلة من التجارب عالية الدقّة في ظروف مختلفة لتصنيع بلّورات أكسيد الليثيوم والكوبالت ذات الطبقات، وسُمّيت بعمليّة هيدروفلوكس (Hydroflux)، وتمكّنوا من تحديد مسار التفاعل الذي أدّى في نهاية المطاف إلى تكوين بلّورات أكسيد الليثيوم والكوبالت، وقال Matsui: “من خلال فهم مسار التفاعل تمكنّا من تحديد العوامل التي عزّزت تشكّل بلّورات أكسيد الليثيوم والكوبالت، وبالتحديد، أدّى وجود جزيئات الماء في الموادّ الأوّليّة إلى تحسّن تبلور المنتج النهائيّ تحسّناً ملحوظاً”.

أيضاً، قاس الفريق الخصائص الكهروكيميائيّة لطبقات أكسيد الليثيوم والكوبالت الناتجة، وكانت ذات فرق ضئيل مقارنةً بنظيرتها التجاريّة المُصنَّعة بدرجات حرارة عالية، وقال أيضاً: “يُعدّ هذا العمل أوّل إثبات تجريبيّ للاستقرار الكيميائيّ الحراريّ لطبقات أكسيد الليثيوم والكوبالت عند درجات حرارة منخفضة تحت الضغط الجوّيّ” واختتم: “سيمكّن تطويرنا لعمليّة هيدروفلوكس من توفير الطاقة في عمليّات إنتاج الموادّ السيراميكيّة الداخلة في تصنيع الأقطاب السالبة للبطّاريّات، وستكون خطواتنا التالية تحسين عمليّة الهيدروفلوكس بناءً على فهمنا لمسار التفاعل”.