مرشحة دكتوراه صينية تستعد لحل مخاطر حريق وانفجار بطارية الليثيوم

يمكن أن تشتعل النيران في بطاريات الليثيوم أيون في السيارات الكهربائية أو تنفجر عند قصر الدائرة ، مما يشكل مخاطر كبيرة على السلامة. قبل خمس سنوات ، كطالب ماجستير في جامعة ووهان للتكنولوجيا ، بدأ الدكتور لون لي في استكشاف حلول لهذه المشكلة. الآن ، كباحثة ما بعد الدكتوراه في نفس المؤسسة ، حققت اكتشافا رائدا. تم نشر بحثها في العدد الأخير من مجلة Nature Chemical Engineering.

بتوجيه من البروفيسور هي دابينغ من كلية الفيزياء والميكانيكا في جامعة ووهان للتكنولوجيا ، تمت ترجمة براءة الاختراع البحثية هذه بنجاح إلى تصنيع. استثمرت شركة 30 مليون ين لزيادة الإنتاج. أنشأ فريق البحث شركة Hainan Zhangyu Technology Co.، Ltd. لمواصلة التحقق من صحة التكنولوجيا ، مع خطط لتنفيذها قريبا إذا ثبت أنها قابلة للتطبيق.

اختراق من تجربة غير متوقعة

بطاريات الليثيوم أيون عرضة للحرائق والانفجارات لأن الحرارة التي تولدها لا يمكن أن تتبدد بسرعة كافية ، مما يؤدي إلى تراكم يؤدي إلى سلسلة من التفاعلات الطاردة للحرارة ، وفي النهاية ، الهروب الحراري. يعد التحكم في توليد الحرارة الداخلية وتحسين نقل الحرارة أمرا بالغ الأهمية لمنع هذه المشكلة.

في عام 2020 ، أثناء تجربة ، قام الدكتور لي بتفكيك بطارية اشتعلت فيها النيران وانفجرت ، ووجد أن مجمع التيار المعدني في القطب الموجب قد احترق بالكامل تقريبا. عادة ما تكون هذه المجمعات مصنوعة من الألومنيوم أو النحاس.

"هذا يشير إلى وجود صلة محتملة بين مجمعات التيار المعدني والهروب الحراري" ، شارك الدكتور لي مع الأستاذين هي دابينغ وماي ليتشيانغ. فكروا معا فيما إذا كانت مادة مثبطة للهب يمكن أن تحل محل مجمعات التيار المعدني. ستحتاج هذه المادة إلى موصلية حرارية عالية ومقاومة ممتازة للهب وكثافة كافية لتجنب زيادة حجم البطارية.

تحول انتباههم إلى الجرافين ، وهي مادة فريدة ثنائية الأبعاد. اختبر الدكتور لي مقاومته للهب من خلال وضعه فوق مصباح كحولي لمدة نصف ساعة - بشكل ملحوظ ، ظل سليما. هذه النتيجة غير المتوقعة أدهشت زملائها في المختبر.

قال الدكتور لي: "اقترحنا استخدام مجمعات تيار الجرافين عالية التوصيل الحراري لتحل محل المجمعات المعدنية التقليدية ، مما يعزز بشكل كبير سلامة البطارية". تلقى عملها أيضا إرشادات من الأستاذ المساعد يانغ جين لونغ في جامعة شنتشن.

تزوير مجمعات الجرافين الحالية مرتين من خلال درجات حرارة عالية

ومع ذلك ، فإن استخدام الجرافين كمجمع تيار يتطلب تحقيق قوة ميكانيكية ونحافة كافية - على الأقل 10-20 ميكرومتر - مع الحفاظ على الموصلية الجيدة.

في صباح يوم 16 ، زار مراسل من Changjiang Daily مختبر تخليق أفلام الجرافين في جامعة ووهان للتكنولوجيا. قدم الدكتور لي لفافة من رقائق معدنية ، موضحا ، "هذا مجمع تيار من الألومنيوم ، يستخدم بشكل شائع في أقطاب موجبة لبطارية ليثيوم أيون. يستخدم النحاس أيضا كمجمع للتيار المعدني ". ثم عرضت لفافة من المواد غير المعدنية ، قائلة: "هذا هو جامع تيار الجرافين الخاص بنا ، والذي يتم إنتاجه بكميات كبيرة في شركة Wuhan Hanci Technology Co.، Ltd."

لاحظ المراسل أن جامع تيار الجرافين كان رقيقا مثل أجنحة الزيز. قام الدكتور لي بثنيها مرارا وتكرارا دون التسبب في أي تشوه. "يبلغ سمكه 10 ميكرومتر فقط ، ولا تظهر أي شقوق تحت المجهر ، بغض النظر عن عدد المرات التي ينحني فيها. على الرغم من مظهره الرقيق ، فقد خضع لجولتين من التزوير بدرجة حرارة عالية ، يشبه إلى حد كبير تزوير Sun Wukong الأسطوري في فرن Laozi ".

أشار الدكتور لي إلى اثنين من أفران الرسم البياني ذات درجة الحرارة العالية في المختبر ، موضحا أن مادة الجرافين الخام تخضع لمعالجتين بدرجة حرارة عالية لتشكيل مادة تجميع تيار الجرافين النهائية.

استثمار بقيمة 30 مليون ين للتحقق من صحة الإنتاج

بمجرد تطوير مادة تجميع تيار الجرافين ، تم إرسالها إلى مختبر تكنولوجيا النانو بجامعة ووهان للتكنولوجيا للتوصيف الهيكلي واختبار السلامة. ثم قام الفريق بتصنيع بطاريات لينة مع المادة ، وإجراء سلسلة من اختبارات الأداء الكهروكيميائية.

وأشار المراسل إلى أن مختبر تكنولوجيا النانو لم يضم بطاريات ليثيوم أيون فحسب ، بل كان يضم أيضا بطاريات أيون الصوديوموبطاريات أيون البوتاسيوم وأنواع أخرى من البطاريات التي تخضع للاختبار الكهروكيميائي.

شاركت الدكتورة لي أن بطاريات الليثيوم أيون الخاصة بها تم اختبارها أيضا في معهد أبحاث فيزياء درجات الحرارة العالية والضغط العالي في جامعة ووهان للتكنولوجيا. كثيرا ما تناقش البيانات التجريبية مع الأستاذ المساعد يانغ جين لونغ من جامعة شنتشن ، وتحلل النتائج وتخطط للخطوات التالية في بحثها.

"على مدى السنوات القليلة الماضية ، سافرت في كثير من الأحيان بين مختبر تخليق فيلم الجرافين ، ومختبر تكنولوجيا النانو ، ومعهد أبحاث الفيزياء ذات درجات الحرارة العالية والضغط العالي. لكنني لا أشعر بالتعب - طالما يمكنني تحقيق النتائج ، أشعر بالرضا "، قال الدكتور لي ، الذي كان يتابع هذا البحث لمدة خمس سنوات. حتى بعد انتهاء فترة ما بعد الدكتوراه في العام المقبل ، تخطط لمواصلة تعميق هذا البحث.

وكشف الدكتور لي أن الشركة قد استثمرت بالفعل 30 مليون ين لزيادة الإنتاج، وإذا نجح التحقق من الصحة، تنفيذ التكنولوجيا قريبا.