الكربون المسامي: لماذا يسمى فرصة جديدة للمواد القائمة على الكربون؟

مواد الأنود أساسية لبطاريات أيونات الليثيوم، وتؤثر بشكل مباشر على أدائها. الجرافيت، وهو الأنود الكربوني الأكثر استخدامًا، يتميز بانخفاض سعته وضعف استقراره، ومن الصعب تحسين سلامته وأدائه.
تركز الأبحاث على إيجاد مواد جديدة تعتمد على الكربون لتحل محل الأنودات التجارية.
ومن بين المواد الكربونية، الكربون المسامي يتميز بمساحة سطحية عالية وشكلٍ قابل للتحكم. كما أن بنيته المسامية الغنية وتوصيله الجيد يعززان الاستقرار ويقللان تكاليف التركيب. يُستخدم الكربون المسامي على نطاق واسع في تخزين الطاقة والتحفيز. وإمكاناته في بطاريات الليثيوم كبيرة - فلنستكشفها بمزيد من التفصيل.

مزايا المواد الكربونية المسامية لبطاريات الليثيوم

تستخدم بطاريات أيونات الليثيوم أيونات الليثيوم كوسيلة لنقل الطاقة، والأقطاب الكهربائية فيها عبارة عن آليات تخزين كهروكيميائية لليثيوم. عند الشحن، تتولد أيونات الليثيوم على القطب الموجب للبطارية. ثم تنفصل أيونات الليثيوم المتولدة عن القطب الموجب وتنتقل إلى القطب السالب عبر الإلكتروليت. تتميز مادة الكربون، باعتبارها القطب السالب، ببنية طبقية وتحتوي على العديد من المسام الدقيقة. أيونات الليثيوم التي تصل إلى القطب السالب تكون مدمجة في المسام الدقيقة للمادة الكربونية.

كلما زادت أيونات الليثيوم المُضمنة، زادت سعة الشحن. في هذه الحالة، يكون القطب السالب غنيًا بالليثيوم، والقطب الموجب فقيرًا به. في الوقت نفسه، تُزوَّد شحنة تعويض الإلكترونات إلى القطب السالب الكربوني من الدائرة الخارجية، مما يضمن توازن شحنة القطب السالب. أثناء التفريغ، تغادر أيونات الليثيوم الأنود وتعود إلى الكاثود عبر الإلكتروليت.

باعتباره قطبًا موجبًا لبطارية ليثيوم-أيون، فإن مساحة السطح العالية للكربون المسامي تربط المزيد من أيونات الليثيوم لزيادة السعة. يوفر تركيبه المسامي المعقد مسارات انتشار فعّالة ويقصر مسافة انتشار أيونات الليثيوم. تُستخدم عيوب مثل الفراغات وتشويب الذرات غير المتجانسة كمواقع لتخزين الليثيوم. أثناء إدخال/استخراج الليثيوم، يكون الإجهاد الميكانيكي الناتج عن تغيرات الحجم ضئيلًا، مما يضمن استقرارًا جيدًا للدورة. وبالتالي، غالبًا ما يُظهر الكربون المسامي أداءً كهروكيميائيًا أفضل من الجرافيت التقليدي.

ما هو الحجم الأمثل للمسام الكربونية المسامية؟

يمكن تقسيم الكربون المسامي إلى ثلاثة أنواع وفقًا لحجم المسام: الكربون المسامي الصغير (حجم المسام أقل من 2 نانومتر)، والكربون المسامي المتوسط (حجم المسام بين 2 ~ 50 نانومتر)، والكربون المسامي الكبير (حجم المسام أكبر من 50 نانومتر).

الكربون الدقيق المسام

يتميز الكربون الدقيق المسامي بمساحة سطحية نوعية عالية وسعة نوعية عالية كمادة أقطاب كهربائية. حضّر الباحثون كربونًا دقيق المسام ذي مساحة سطحية عالية باستخدام طريقة القالب.
باعتباره أنودًا لبطارية ليثيوم أيون، أظهر سعة كبيرة غير قابلة للعكس (٢٥٤٧ مللي أمبير/ساعة/جم). ويرجع ذلك إلى أن مساحة السطح الكبيرة تزيد من مساحة تكوين SEI.
بالإضافة إلى ذلك، يوفر الكربون المسامي أحادي البنية مواقع ربط أكثر للمجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين والهيدروجين. تخضع هذه المجموعات الوظيفية لتفاعلات غير رجعية مع أيونات الليثيوم، مما يؤدي إلى سعة عالية غير رجعية. يُلاحظ انخفاض كبير في السعة في الدورات الأولية. لذلك، لا يُعد الكربون المجهري أحادي البنية مادة مثالية لأنود بطارية أيونات الليثيوم.

الكربون المسامي

يمكن أيضًا استخدام الكربون المسامي كمواد أنود لبطارية ليثيوم أيون.
باستخدام السيليكا المُرتَّبة كقالب، يُمكن تصنيع الكربون المُتوسط المسامي المُرتَّب (CMK-3). يتميز هذا الكربون بسعة عكسية عالية وأداء ممتاز في دورات الشحن والتفريغ. بعد الدورة الأولى، تبقى سعة الشحن والتفريغ مستقرة. ويرجع ذلك إلى أن البنية المسامية المُرتَّبة تُقلِّل من مقاومة نقل الأيونات، مما يُؤدِّي إلى استقرار ممتاز في دورات الشحن والتفريغ.

الكربون كبير المسام

يمكن أيضًا استخدام الكربون المسامي المنظم المحضر بطريقة القالب كمواد أنود لبطارية ليثيوم أيون.
باستخدام أوبال السيليكا العكسي كقالب، يمكن تصنيع الكربون المسامي المنظم مع بنية مسام مترابطة ثلاثية الأبعاد وجدران مسام جرافيتية من خلال طريقة الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) باستخدام البنزين.
باعتبارها أنود بطارية ليثيوم أيون، فإنها تحافظ على سعة 320 مللي أمبير ساعة/جم بعد 60 دورة عند 200 مللي أمبير/جم، مع معدل احتفاظ بالسعة 98%.
باستخدام بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA) كقالب، يمكن تصنيع مادة مسامية مرتبة ثلاثية الأبعاد عبر طريقة هلام الريزورسينول فورمالدهيد.
باعتبارها مادة أنود، فإنها تحقق سعة 260 مللي أمبير ساعة/جم عند 1000 مللي أمبير/جم، مع الاحتفاظ بسعة 83% بعد 30 دورة.

مسامية متدرجة

ومع ذلك، فإن المواد الكربونية المسامية ذات المسام المفردة لها حتما بعض العيوب.
لتحسين أدائها، أصبحت الكربونات المسامية الهرمية - التي تدمج مسامًا مترابطة بأحجام مختلفة في بنية متدرجة - محورًا بحثيًا. وتتمثل مزاياها مجتمعةً فيما يلي:

• توفر المسام الدقيقة مساحة سطحية عالية، مما يعزز سعة تخزين الشحنة ويزيد من سعة بطارية أيون الليثيوم.
• تخلق المسامات المتوسطة قنوات نقل سريعة لأيونات الإلكتروليت، مما يحسن من تسلل الإلكتروليت.
• تعمل المسام الكبيرة على تقصير مسافات انتشار الأيونات، مما يسهل نقل الأيونات ويضمن الاحتفاظ بالقدرة العالية في ظل ظروف التيار العالي.

على سبيل المثال:

ببساطة عن طريق تسخين كربونات الليثيوم وهيدريد الليثيوم، تم تصنيع الكربون المسامي الهرمي الشبيه بالإسفنج (HPC الشبيه بالإسفنج) مع مساحة سطح نوعية عالية للغاية (1049 متر مربع / جم) بطريقة صديقة للبيئة وفعالة، كما هو موضح في الشكل.

عند استخدامه كمواد أنود لبطاريات الليثيوم أيون، يُظهر HPC الشبيه بالإسفنج ما يلي:

سعة عكسية عالية للغاية (1750 مللي أمبير ساعة/جم عند 0.2 أمبير/جم)، استقرار استثنائي للدورة (احتفاظ بالسعة ≈100% بعد 2000 دورة)، أداء معدل متميز.

يمكن أيضًا تعديل الكربون المسامي الهرمي من خلال التطعيم غير المتجانس، حيث تُستبدل بعض ذرات الكربون في البنية المسامية بذرات أخرى. باستغلال الفرق في السالبية الكهربية بين الكربون والذرات الغريبة، يُعدل هذا التعديل توزيع الشحنات وتكوين العيوب داخل الكربون المسامي، مما يُحسّن خصائصه الفيزيائية والكيميائية.

الكربون المسامي له تطبيقات محتملة

في إطار البحث، طوّر العلماء غشاءً كربونيًا مساميًا بإضافة Fe3C لتكوين مسام تشبه قرص العسل والإصبع. يحقق هذا الغشاء الكربوني المسامي مساحة سطح نوعية عالية، ويمكن استخدامه مباشرةً كمادة فعالة ومجمع للتيار. توفر المسام الكبيرة مساحة داخلية كافية لتحمل تغيرات الحجم أثناء الشحن والتفريغ. يوفر غشاء الكربون المسامي غير المتماثل نقلًا عالي السرعة للإلكترونات، ويعزز انتشار الإلكتروليت وأيونات الليثيوم.

على الرغم من أن الكربون المسامي قد لا يتطابق مع مواد مثل أنابيب الكربون النانوية أو الجرافين من حيث المرونة والخصائص الميكانيكية، إلا أنه يعد خيارًا مثاليًا لتحميل كتلة الأقطاب الكهربائية العالية.
قد تستكشف الأبحاث المستقبلية دمج الكربون المسامي مع الجرافين أو الأنابيب النانوية الكربونية. قد ينتج عن ذلك مجمعات تيار مرنة فائقة الجودة لبطاريات أيونات الليثيوم للأجهزة القابلة للارتداء.

خاتمة

يعتقد العلماء أن الكربون المسامي يتمتع بإمكانيات كبيرة للاستخدام على نطاق واسع في الأقطاب الكهربائية ذاتية الدعم ومجمعات التيار. ويرجع ذلك إلى أن تطوير بطاريات أيونات الليثيوم من الجيل القادم سيركز على زيادة السعة، وإطالة العمر الافتراضي، وتحسين صداقته للبيئة، وانخفاض تكلفته. وهذا يتطلب أن تتمتع مجمعات التيار بأداء كهروكيميائي أكثر استقرارًا، وموصلية أفضل، ووزن أخف، وتكلفة أقل. علاوة على ذلك، ستتطلب الأجهزة القابلة للارتداء في المستقبل مجمعات تيار ذات هياكل مرنة. لذلك، بالمقارنة مع مجمعات التيار المعدنية، تتمتع مجمعات التيار النانوكربونية بآفاق أوسع بكثير.

مسحوق EPIC

مسحوق ملحمي، أكثر من ٢٠ عامًا من الخبرة في صناعة المساحيق فائقة النعومة. ندعم بنشاط تطوير المساحيق فائقة النعومة، مع التركيز على عمليات التكسير والطحن والتصنيف والتعديل. تواصل معنا للحصول على استشارة مجانية وحلول مُخصصة! فريقنا من الخبراء مُلتزم بتقديم منتجات وخدمات عالية الجودة لتعزيز قيمة معالجة مساحيقك. إيبك باودر - خبيرك الموثوق في معالجة المساحيق!