الألومينا، “منقذ” مواد بطاريات الكاثود

يتكون الهيكل الأساسي لبطاريات أيونات الليثيوم من القطب الموجب، والقطب السالب، والإلكتروليت، والفاصل، وهيكل البطارية. تُعدّ مادة القطب الموجب المادة الأساسية في بطاريات أيونات الليثيوم، وهي التي تحدد كثافة الطاقة، ومنصة الجهد، وعمر دورة البطارية، وسلامتها.

في الوقت الحالي، على الرغم من أن أكسيد كوبالت الليثيوم (LiCoO2)، وأكسيد منغنيز الليثيوم (LiMn2O4)، وفوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4)، والمواد الثلاثية (Li-Ni-Co-Mn-O) تُعدّ أربعة مواد قطب موجب تجارية لبطاريات أيونات الليثيوم، إلا أنها تعاني من بعض العيوب في السلامة، وأداء دورة البطارية، والحفاظ على السعة، وجوانب أخرى. لتحسين استقرار مواد القطب الموجب، يستخدم الباحثون طرق تعديل مختلفة، مثل التطعيم، وطلاء السطح، وطريقتين مشتركتين.

كيف تُحسّن الألومينا أداء القطب الموجب؟

يمكن لطلاء الألومينا على مواد القطب الموجب أن يُحسّن بشكل فعال استقرار دورة البطارية، وعمر دورة البطارية، والاستقرار الحراري لمواد القطب الموجب. التأثيرات الرئيسية لـ Al2O3 على مواد الأقطاب الموجبة هي:

(1) كاسح فلوريد الهيدروجين (HF)

يُعد LiPF6 إلكتروليتًا شائع الاستخدام في الإلكتروليتات. عند الجهد العالي، يتفاعل سداسي فلورو فوسفات الليثيوم (LiPF6) مع كميات ضئيلة من الماء لتوليد HF.

(2) حاجز حماية فيزيائي

يمكن لطبقة من Al2O3 على سطح مادة القطب الموجب عزل مادة القطب الموجب عن الإلكتروليت ومنع حدوث تفاعلات جانبية ضارة بين مادة القطب الموجب والإلكتروليت.

(3) تحسين الاستقرار الحراري لمواد القطب الموجب

يُعد الاستقرار الحراري أحد العوامل الرئيسية في تقييم أداء بطاريات أيونات الليثيوم. أثناء عملية شحن وتفريغ بطاريات الليثيوم، يؤدي إطلاق الأكسجين الشبكي في مادة القطب الموجب إلى أكسدة الإلكتروليت، مما يقلل من استقراره الحراري.

(4) تحسين معدل انتشار أيونات الليثيوم

على الرغم من أن أكسيد الألومنيوم ليس موصلًا جيدًا للإلكترونات والأيونات، إلا أنه يتفاعل مع الليثيوم المتبقي على سطح مادة القطب الموجب أثناء عملية الشحن والتفريغ لتوليد LiAlO2، وهو موصل جيد للأيونات، ويمكنه زيادة معدل انتشار أيونات الليثيوم. ويرجع ذلك أساسًا إلى أن LiAlO2 يقلل من حاجز طاقة انتشار أيونات الليثيوم.

(5) التفاعل مع LiPF6 لتوليد مادة مضافة للإلكتروليت LiPO2F2

يمكن لأكسيد الألومنيوم المغطى بسطح مادة القطب الموجب أن يتفاعل مع ملح الليثيوم (LiPF6) في الإلكتروليت لتوليد ثنائي فلورو فوسفات الليثيوم (LiPO2F2)، وهو مادة مضافة مستقرة للإلكتروليت، يمكنها تحسين استقرار دورة مادة القطب الموجب وسلامتها وأدائها بشكل كبير.

(٦) تثبيط تأثير جان-تيلر

يُعد تأثير جان-تيلر السبب الرئيسي لذوبان أيونات المنغنيز في مادة القطب الموجب، مما قد يُسبب انهيار بنيتها ويُعيق انتشار أيونات الليثيوم، مما يُؤدي إلى انخفاض الأداء الكهروكيميائي لمادة القطب الموجب.

خمس تقنيات طلاء رئيسية

طريقة التشريب: تُضاف مادة القطب الموجب إلى المحلول أو المحلول الذي يحتوي على مادة الألومنيوم الأولية لتكوين عجينة متجانسة، ثم تُجفف وتُكلس لتكوين مادة قطب موجب مطلية بالألومينا.

طريقة الترسيب: تُخلط مادة القطب الموجب مع محلول مثل نترات الألومنيوم أو كلوريد الألومنيوم بالتساوي، ثم تُضبط قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول المختلط لتكوين طبقة طلاء على سطح مادة القطب الموجب، وأخيراً تُنتج مادة قطب موجب مطلية بالألومينا عن طريق الترشيح والغسل والتجفيف والمعالجة الحرارية.

عملية الطلاء الجاف: يُمكن خلط الألومينا ومواد القطب الموجب مباشرةً لتشكيل طبقة طلاء خشنة على سطح مادة القطب الموجب. على الرغم من استحالة تحقيق طلاء موحد على سطح مادة القطب الموجب، إلا أن له تأثيرًا إيجابيًا على تحسين الأداء الكهروكيميائي لمادة القطب الموجب.

طريقة الرش: تستخدم طريقة الرش أيونات Ar+ لقصف المادة المستهدفة (Al)، بحيث تُرش ذرات Al وترسب على سطح مادة القطب الموجب.

تقنية ترسيب الطبقة الذرية (ALD): باستخدام ثلاثي ميثيل الألومنيوم ومواد أخرى كمصدر للألمنيوم، يُطلى سطح مادة القطب الموجب بأكسيد الألومنيوم. يمكن التحكم بدقة في السُمك، ويمكن زيادة سُمك الطلاء بزيادة عدد دورات ALD.