An Fe–Ti bimetallic MOF-functionalized electrospun PVDF-HFP separator for homogeneous Li⁺ flux in thermally robust, fast-charging LiFePO₄ batteries

تعتمد البطاريات التي تشغل المركبات الكهربائية وتخزن الطاقة للشبكة على بنية داخلية دقيقة. وفي قلب هذه الأجهزة يكمن الفاصل، وهو غشاء رقيق يوضع بين القطبين الموجب والسالب. مهمته بسيطة ولكنها حاسمة: يجب أن يسمح لأيونات الليثيوم الصغيرة المشحونة بالمرور بحرية لتوليد الكهرباء، مع منع الإلكترونات فيزيائياً ومنع القطبين من التلامس والتسبب في ماس كهربائي. لعقود من الزمن، اعتمدت الصناعة على فواصل مصنوعة من بلاستيك البولي أوليفين، والتي تعمل كحواجز خاملة وسلبية. ومع ذلك، مع تزايد الطلب على الشحن الأسرع والتشغيل في درجات الحرارة المرتفعة، تظهر هذه المواد التقليدية حدودها؛ فهي تميل إلى الانكماش والذوبان عند ارتفاع درجات الحرارة، ولا تفعل شيئاً لتوجيه تدفق الأيونات بشكل نشط. هذه الطبيعة السلبية يمكن أن تؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للأيونات، مما يتسبب في تكون نتوءات معدنية خطيرة على القطب السالب، وهو ما قد يؤدي إلى فشل البطارية أو نشوب حريق.

لطالما سعى الباحثون لإيجاد طريقة لتحويل هذا الحاجز السلبي إلى منظم نشط، غشاء لا يقوم بالفصل فحسب، بل ينظم أيضاً حركة المرور للأيونات. تقدم دراسة جديدة من فريق في كلية مدينة ميانيانغ وكلية ميشانان المهنية والتقنية خطوة كبيرة في هذا الاتجاه. فقد طوروا نوعاً جديداً من الفواصل يتضمن مادة متخصصة تسمى الإطار المعدني العضوي، وتحديداً إطاراً مبنياً من الحديد والتيتانيوم. ومن خلال نسج هذه المادة في غشاء من ألياف البوليمر، أنشأوا مكوناً يعمل بنشاط على تثبيت الجسيمات الكيميائية غير المرغوب فيها وتنعيم تدفق أيونات الليثيوم. والنتيجة هي فاصل بطارية يظل مستقراً في درجات الحرارة العالية، ويقاوم تكون النتوءات المعدنية الضارة، ويسمح للمركبات الكهربائية بالشحن بشكل أسرع بكثير دون التضحية بالسلامة.

بدأ الفريق بتخليق مكونهم الرئيسي، وهو الإطار المعدني العضوي، باستخدام طريقة تتضمن تسخين خليط من المواد الكيميائية في حاوية مغلقة. وتنتج هذه العملية بنية بلورية ذات مسام صغيرة ومنتظمة ومواقع معدنية مفتوحة على سطحها. في هذا التصميم المحدد، دمج الباحثون الحديد والتيتانيوم داخل الإطار نفسه. وقد اختاروا هذا المزيج لأن المعدنين يعملان معاً لإنشاء سطح جيد جداً في الإمساك بأنيونات كيميائية محددة، مع السماح لأيونات الليثيوم بالمرور بسهولة. ولجعل هذه المادة صالحة للاستخدام كفاصل بطارية، خلط الباحثون هذه البلورات الصغيرة في محلول من بوليمر مرن معروف باسم PVDF-HFP. ثم استخدموا عملية تسمى الغزل الكهربائي، والتي تستخدم جهداً عالياً لغزل السائل إلى حصيرة من الألياف الدقيقة والمتصلة للغاية. وقد خلق هذا غشاءً مسامياً يشبه الإسفنج حيث كانت بلورات الإطار المعدني العضوي موزعة بالتساوي عبر الألياف، بدلاً من مجرد الاستقرار على السطح.

عندما اختبر الفريق هذا الغشاء المركب الجديد، كانت النتائج مذهلة مقارنة بالفواصل التجارية القياسية. أظهرت المادة الجديدة قدرة رائعة على امتصاص الإلكتروليت السائل، وهو "الحساء الكيميائي" الذي يحمل الأيونات داخل البطارية. وبينما كان الفاصل البلاستيكي القياسي ينفر السائل إلى حد ما، امتص الغشاء الجديد السائل فوراً، بزاوية تلامس بلغت 18 درجة فقط. هذا الانجذاب العالي للإلكتروليت يعني أن الأيونات يمكنها التحرك عبر المادة بحرية أكبر بكثير. وقاس الباحثون سرعة هذه الحركة ووجدوا أن الفاصل الجديد سمح للأيونات بالتحرك بمقاومة أقل بكثير من الخيارات القياسية. والأهم من ذلك، أن الغشاء غير توازن حركة المرور داخل البطارية؛ ففي البطارية النموذجية، يتحرك كل من أيونات الليثيوم الموجبة والأنيونات السالبة، لكن الأنيونات السالبة غالباً ما تعيق العملية وتؤدي إلى إبطائها. عملت مواقع الحديد والتيتانيوم في الغشاء الجديد مثل "بوابة رسوم" احتجزت الأنيونات السالبة ومنعتها من الحركة، مما ترك أيونات الليثيوم تتحرك بكفاءة أكبر بكثير، وهو ما ضاعف فعلياً عدد أيونات الليثيوم التي يمكن أن تمر في أي لحظة مقارنة بالفاصل القياسي.

الاختبار الأكثر حرجاً لأي مكون في البطارية هو كيفية تصرفه تحت الضغط، وخاصة الحرارة. تبدأ الفواصل البلاستيكية القياسية في الانكماش والتشوه بشكل خطير عند تسخينها إلى حوالي 110 درجة مئوية، وغالباً ما تذوب تماماً وتتسبب في فشل البطارية. أما الغشاء الجديد، المعزز بالإطار المعدني العضوي الصلب، فقد أظهر استقراراً حرارياً استثنائياً. فعندما سخن الباحثون الفاصل إلى 160 درجة مئوية لمدة ساعة، انكمش بنسبة 5.8 بالمائة فقط، بينما انكمش الفاصل القياسي بنسبة 71 بالمائة وذاب. وفي اختبارات اللهب المباشر، اشتعل الفاصل البلاستيكي القياسي واحترق بعنف في أقل من ثانية، بينما قاوم الغشاء الجديد الاشتعال لأكثر من ثلاث ثوانٍ ثم أطفأ نفسه، مما أظهر مستوى من سلامة الحريق حيوياً لمنع الهروب الحراري في المركبات الكهربائية.

ولمعرفة ما إذا كانت هذه التحسينات الفيزيائية ستترجم إلى أداء حقيقي للبطارية، قام الفريق بتجميع خلايا بطارية كاملة باستخدام مادة كاثود شائعة تسمى فوسفات حديد الليثيوم. واختبروا مدى جودة شحن وتفريغ هذه البطاريات عند سرعات ودرجات حرارة مختلفة. عند سرعة شحن متوسطة، سمح الفاصل الجديد للبطارية بتقديم سعة أعلى من تلك التي تستخدم الفواصل القياسية. وكان الاختبار الحقيقي عندما زادت معدلات الشحن بمقدار عشرة أضعاف؛ فعند زيادة معدل الشحن بمقدار عشرة أضعاف، احتفظت البطارية ذات الفاصل الجديد بسعة قدرها 118 مللي أمبير ساعة لكل جرام، بينما انخفضت البطارية القياسية إلى 72 فقط. وهذه القدرة على الحفاظ على الأداء تحت الشحن السريع هي نتيجة مباشرة لتدفق الأيونات الأكثر سلاسة الذي وفره الغشاء. علاوة على ذلك، أظهرت البطارية طول عمر مذهل؛ فخلال 500 دورة شحن، احتفظت بأكثر من 92 بالمائة من سعتها الأصلية، بكفاءة تقارب 99.8 بالمائ % لكل دورة. وحتى عندما رُفعت درجة الحرارة إلى 80 درجة مئوية، استمرت البطارية في العمل دون فقدان يذكر في السعة، وهو إنجاز تجد البطاريات القياسية صعوبة في تحقيقه.

كما فحص الباحثون ما يحدث داخل البطارية بعد فترات طويلة من الاستخدام. ففي البطاريات ذات الفواصل القياسية، غالباً ما يتطور في القطب السالب ترسبات غير منتظمة وخشنة من معدن الليثيوم، والتي يمكن أن تنمو لتصبح نتوءات حادة تخترق الفاصل وتسبب ماساً كهربائياً. أما في البطاريات التي تستخدم غشاء الحديد والتيتانيوم الجديد، فقد ترسب الليثيوم بشكل متساوٍ وناعم، مما ترك الفاصل سليماً وخالياً من الشقوق. ويشير هذا التوحيد إلى أن الغشاء نجح في توجيه الأيونات لتستقر في نمط ثابت، مما منع التراكم الخطير الذي يؤدي إلى الفشل. وتؤكد الدراسة أنه من خلال هندسة سطح الفاصل ليتفاعل بنشاط مع المواد الكيميائية داخل البطارية، يمكن حل مشكلات متعددة في وقت واحد: تحسين السلامة، وتمكين الشحن الأسرع، وإطالة عمر البطارية. ويتجاوز هذا النهج مجرد حظر الأيونات إلى الإدارة النشطة لرحلتها، مما يوفر مساراً واعداً لتخزين طاقة أكثر أماناً وقوة في المستقبل.