مع التطور المستمر للتكنولوجيا المتقدمة، أصبحت مساحيق ومنتجات السيراميك المتقدمة مواد أساسية ومحورية في بعض المجالات التقنية العالية. صناعة بطاريات الليثيوم, تلعب بعض المواد الخزفية أدوارًا حاسمة في سلسلة إنتاجها. قد تُستخدم هذه المواد مباشرةً كأقطاب كهربائية أو مواد فاصلة، أو كمواد تغليف، أو كمواد مساعدة في عملية الإنتاج. يشهد سوق المواد الخزفية ازدهارًا ملحوظًا نتيجةً للطلب المتزايد من قطاع بطاريات الليثيوم. دعونا اليوم نلقي نظرة فاحصة على هذه المواد. المواد الخزفية يلزم ذلك لإنتاج بطارية الليثيوم.
تتكون بطاريات الليثيوم أيون بشكل أساسي من خمسة أجزاء: مادة الكاثود، ومادة الأنود، والفاصل، والإلكتروليت، ومادة التغليف. ومن بينها، يُعد الفاصل الجزء الأكثر تحديًا من الناحية التقنية. مادة البطارية, وتتراوح تكلفتها بين 10% و14%، لتأتي في المرتبة الثانية بعد مادة الكاثود. أما في البطاريات عالية الأداء، فقد تصل تكلفة الفاصل إلى 20%.
عيوب الفواصل التقليدية
تُصنع فواصل بطاريات الليثيوم أيون التجارية بشكل أساسي من أغشية دقيقة المسام مصنوعة من البولي إيثيلين (PE) أو البولي بروبيلين (PP). وتعاني هذه الفواصل المصنوعة من البولي أوليفين من بعض العيوب. فمن جهة، عندما تصل درجات الحرارة الخارجية إلى درجة انصهار الفاصل أو تتجاوزها، قد ينكمش الفاصل أو ينصهر، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفاجئ أو حدوث ماس كهربائي في البطارية. لذا، يُعد الحفاظ على حجم الفاصل وشكله أمرًا بالغ الأهمية لتحسين سلامة البطارية. ومن جهة أخرى، نظرًا لأن قطبية فواصل البولي أوليفين لا تتوافق مع قطبية الإلكتروليتات العضوية، فإن الفاصل يعاني من ضعف التبلل بالإلكتروليت، مما يعني أنه خلال دورات الشحن والتفريغ المتكررة، تكون قدرة الفاصل على الاحتفاظ بالإلكتروليت غير المائي ضعيفة، وبالتالي يؤثر ذلك على أداء البطارية خلال دورات الشحن والتفريغ.
مزايا الفواصل الخزفية والمواد النموذجية
يمكن حاليًا تقسيم الفواصل الخزفية إلى فئتين بناءً على طرق تحضيرها. تتضمن إحدى الطرق استخدام فواصل البولي أوليفين التقليدية أو الأقمشة غير المنسوجة كغشاء أساسي. طبقة من السيراميك طلاء ثم تُطبَّق هذه التقنية باستخدام طرق مثل الربط، والضغط الحراري، والتطعيم. أما الطريقة الأخرى فتتضمن خلط جزيئات السيراميك النانوية مع مواد عضوية لتكوين معجون. ثم يُمد هذا المعجون إلى أغشية أو يُصنع منه أقمشة غير منسوجة.
مع الانتشار الواسع للأجهزة اللوحية والمركبات الكهربائية، لم تعد فواصل البولي أوليفين التقليدية قادرة على تلبية متطلبات الجهد العالي وكثافة الطاقة العالية، وذلك بسبب ضعف أدائها في مقاومة الضغط العالي ودرجات الحرارة المرتفعة. وباستخدام تقنيات طلاء الفواصل، يمكن للطلاءات الخزفية منع نقاط الانهيار الحراري في البطارية من التمدد، مما يضمن سلامة أفضل. كما أن البنية الفريدة للمواد غير العضوية تُحسّن مقاومة الفاصل للانكماش الحراري. إضافةً إلى ذلك، تتميز الطلاءات الخزفية بخصائص محبة للماء، تُعزز امتصاص الإلكتروليت، مما يُحسّن تجانس توزيع التيار داخل البطارية أثناء دورات الشحن والتفريغ.
أكثر مواد الفصل الخزفية التي تمت دراستها على نطاق واسع هي الألومينا عالية النقاء (Al2O3) والبوهميت (AlOOH).
الألومينا عالية النقاء (Al2O3)
الألومينا مركب عالي الصلابة، تبلغ درجة انصهاره 2054 درجة مئوية ودرجة غليانه 2980 درجة مئوية. وهو عبارة عن بلورة ذات روابط أيونية تتميز بثبات حراري عالٍ. المواد الكيميائية يتميز الألومينا عالي النقاء بخموله الكيميائي، مما يجعله خيارًا ممتازًا للطلاءات الخزفية على فواصل البطاريات. وتشمل مزاياه ما يلي:
- عمر دورة طويليقلل من حدوث دوائر قصر ميكانيكية دقيقة أثناء عملية التدوير، مما يعزز بشكل فعال عمر الدورة.
- أداء عالي المعدليمكن أن تشكل جزيئات أكسيد الألومنيوم النانوية عالية النقاء محاليل صلبة في بطاريات الليثيوم، مما يحسن أداء معدل الشحن والتفريغ واستقرار الدورة.
- موصلية حرارية ممتازة: يتميز أكسيد الألومنيوم النانوي عالي النقاء بموصلية حرارية ممتازة، مما يساعد في نقل الحرارة عند ارتفاع درجة حرارة البطارية، وبالتالي حل مشكلة ضعف الموصلية الحرارية لمواد PP/PE.
- قدرة جيدة على التبلليتميز مسحوق الألومينا النانوي بقدرة جيدة على امتصاص الإلكتروليت والاحتفاظ به.
- مقاومة ممتازة للهبالألومينا مادة ممتازة مقاومة للهب. حتى في درجات الحرارة العالية، يمكن لخصائصها الفائقة في مقاومة اللهب أن تمنع الاحتراق واسع النطاق أو حتى الانفجارات.
- حجب التيارفي حالات التيار الزائد، يمكن للألومينا عالية النقاء أن تمنع التيار، مما يمنع حدوث دوائر قصر قد تنتج عن الحرارة الزائدة التي تتسبب في انصهار الفاصل.
البوهيميت (AlOOH)
البوهيميت النقي أبيض اللون، ذو بنية بلورية أحادية الميل، وينتمي إلى النظام البلوري المعيني القائم. تبلغ صلابته على مقياس موس 3-3.5، وكثافته النوعية 3.0-3.07. يُعد البوهيميت المادة الأولية لأكسيد الألومنيوم γ-Al₂O₃، ويُستخدم في نطاق واسع من التطبيقات، مثل المواد الخزفية، والمواد المركبة، وطلاءات حماية الأسطح، والمواد البصرية، والمحفزات، ومواد أشباه الموصلات.
بالمقارنة مع الألومينا، يتمتع البوهيميت بالمزايا التالية:
- صلابة أقليتميز البوهيميت بصلابة أقل، مما يقلل من التآكل الميكانيكي أثناء عمليات القطع والطلاء، مما يجعله أكثر فعالية من حيث التكلفة من الألومينا عالية النقاء.
- مقاومة عالية للحرارةيتميز البوهيميت بثبات حراري ممتاز وتوافق جيد مع المواد العضوية.
- كثافة أقل: بالنسبة لنفس الوزن، يمكن للبوهميت أن يغطي مساحة أكبر بمقدار 25% من الألومينا.
- تجانس أفضل للطلاءتتميز طبقات البوهيميت بأنها أكثر تجانسًا، مما يؤدي إلى انخفاض المقاومة الداخلية.
- انخفاض استهلاك الطاقةإن عملية إنتاج البوهيميت أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأكثر ملاءمة للبيئة.
- انخفاض امتصاص الماء: يمتص البوهيميت نصف كمية الماء التي يمتصها الألومينا عالي النقاء.
- إنتاج أبسطإن تحضير البوهيميت أبسط من تحضير الألومينا عالية النقاء، والتي تتطلب التكليس والطحن والتصنيف.
- أسهل في الاستبدال: إن التحول إلى البوهيميت لا يتطلب تغييرات كبيرة في المعدات أو عمليات مصنعي الفواصل، كما أنه يسبب ضرراً أقل للمعدات.
مادة مضافة للكاثود – أكسيد الزركونيوم (ZrO2)
يتزايد استخدام منتجات أكسيد الزركونيوم النانوية (ZrO2) في قطاع الطاقة الجديد، حيث تتضمن المزيد من تصميمات بطاريات الليثيوم مسحوق أكسيد الزركونيوم كمادة مضافة للكاثود لتحسين استقرار أداء البطارية وزيادة عمرها الافتراضي. ولنأخذ بطارية الليثيوم النيكل-الكوبالت-المنغنيز (LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) كمثال، دعونا ندرس كيف يؤثر أكسيد الزركونيوم النانوي على أداء مواد الكاثود.
التأثيرات الهيكلية
يكشف تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) لـ LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 المطعّم بـ ZrO2 أن إضافة ZrO2 لا تغير البنية العامة للمادة، والتي تحتفظ بالبنية الطبقية السداسية من نوع α-NaFeO2 النموذجية للمادة.
التأثيرات المورفولوجية
مع ازدياد مستوى تطعيم ZrO2، يتقلص حجم الجسيمات الأولية من جسيمات منتظمة يتراوح حجمها بين 200 و400 نانومتر إلى تجمعات كثيفة يتراوح حجمها بين 100 و200 نانومتر. أما الجسيمات الكبيرة المتكونة من تكتل الجسيمات الأولية، فتتقلص إلى 1-2 ميكرومتر. ويصبح الشكل الكروي للجسيمات أقل وضوحًا مع زيادة التطعيم، مما يُسهّل انتشار أيونات الليثيوم.
التأثيرات الكهروكيميائية
تشير الأبحاث إلى أن المواد المُطعّمة بأكسيد الزركونيوم (ZrO2) تُظهر سعة تفريغ أعلى مقارنةً بمركب LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 الأصلي. ويرجع ذلك على الأرجح إلى صغر حجمها. حجم الجسيمات, مما يقلل من مسار انتشار أيونات الليثيوم ويحسن الأداء الكهروكيميائي. علاوة على ذلك، قد تهاجر أيونات Zr4+ إلى السطح وتشكل محاليل صلبة، مما يساعد على منع الانهيار الهيكلي أثناء دورات الشحن والتفريغ، كما يحمي المادة من ذوبان الكوبالت، مما يحسن استقرار الدورة.
تلبيد مواد الكاثود - معدات أفران السيراميك
مع تزايد الطلب على بطاريات السيارات الكهربائية، ارتفع الطلب على مواد الكاثود بشكل ملحوظ، مما دفع مصنعي الأفران المحليين إلى تحديث معدات الإنتاج لديهم. وشهدت مواد مثل سيراميك كربيد السيليكون وسيراميك الكوردييريت-الموليت ارتفاعًا كبيرًا في الطلب.
ألواح الدفع
تُصنع ألواح الدفع الشائعة الاستخدام من كربيد السيليكون والكوروندوم-الموليت، وتُستخدم ألواح كربيد السيليكون بشكل أساسي في الأفران ذات درجات الحرارة المنخفضة. ومع ذلك، فإن تأكسدها عند درجات حرارة أعلى من 1300 درجة مئوية يحد من استخدامها.
بوتقات
فيما يتعلق بالبواتق، تُستخدم مواد مختلفة لتلبيد مواد الكاثود. وتُستخدم بوتقات الكوردييريت-الموليت على نطاق واسع في قطاع مواد كاثود بطاريات الليثيوم نظرًا لمقاومتها الممتازة للصدمات الحرارية وفعاليتها من حيث التكلفة.
بكرات
يجب أن تتحمل البكرات المستخدمة في أفران الدرفلة، الشائعة الاستخدام في تلبيد مواد الكاثود لبطاريات الليثيوم أيون، درجات حرارة عالية وأن تكون مقاومة للتشوه الزحفي. تشمل المواد الشائعة الاستخدام في صناعة بكرات السيراميك الكوروندوم، والألومينوسيليكات، والسيليكا المنصهرة، وكربيد السيليكون.
مواد سيراميكية أخرى لبطاريات الليثيوم
بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم مساحيق أو منتجات خزفية أخرى في تحضير أو تجميع بطاريات الليثيوم. على سبيل المثال، يُستخدم أكسيد الألومنيوم فائق النعومة عالي النقاء كمادة مضافة للكاثود، حيث يؤدي دورًا في الطلاء والتطعيم. ويمكن دمج مسحوق كربيد السيليكون الدقيق مع الجرافيت أو أنابيب الكربون النانوية أو نتريد التيتانيوم النانوي لتكوين مواد الأنود. يُحسّن هذا المزيج سعة البطارية وعمرها الافتراضي. في عملية إحكام غلق بطاريات الليثيوم، تُعد الحلقات الخزفية الإلكترونية مكونات أساسية. تُعرف هذه الحلقات أيضًا باسم "موصلات إحكام غلق بطاريات الطاقة الخزفية من النوع الجديد". وهي تُشكّل وصلة موصلة محكمة الإغلاق بين غطاء البطارية وأقطابها في المركبات الكهربائية.
خاتمة
مع التطور المستمر للتقنيات والمواد المتقدمة، من المرجح أن يتم استخدام المزيد من المواد الخزفية لبطاريات الليثيوم في بطاريات الليثيوم وقطاع الطاقة الجديد بأكمله في المستقبل.
شكرًا لقراءتكم. آمل أن يكون مقالي مفيدًا. يُرجى ترك تعليق أدناه. يمكنكم أيضًا التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين