بطاريات الحالة الصلبة قد تعيد تعريف ثورة السيارات الكهربائية
محمد عبد السند
تمكّن باحثون من حل لغز كثيرًا ما كان سببًا في تدني أداء بطاريات الحالة الصلبة ولا سيما عند استعمالها في السيارات الكهربائية، وفق متابعات منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).
واعتمد الباحثون الأميركيون على تقنية بالغة التطور تُعرف باسم المجهر الإلكتروني الناقل الماسح رباعي الأبعاد 4 دي إس تي إي إم (4D STEM)، من تحديد طبقة الطور البيني بوصفها السبب الرئيس لتدهور أداء البطارية المذكورة.
وطبقة الطور البيني للإلكتروليت الصلب المعروفة اختصارًا بـ"إس إي آي" (SEI) هي طبقة تخميد (تثبيط) عازلة كهربائيًا وموصلة للأيونات تتشكل على سطح القطب من خلال تحلل الإلكتروليت، وتؤدي دورًا حاسمًا في تحديد كفاءة وعمر الدورة والسعة والسلامة.
لكن الباحثين طوّروا طبقة رقيقة يمكنها تخفيف الآثار السلبية لطبقة الطور البيني؛ ما يعزز مدى البطارية ويجعلها مثالية للمركبات منخفضة الانبعاثات وكذلك الأجهزة الإلكترونية.
تحدٍّ طويل الآجل
تعامل الباحثون في جامعة ميسوري الأميركية مع تحدٍّ طويل الأجل في تطوير بطاريات الحالة الصلبة التي تعتمد على مادة صلبة بدلًا من الإلكتروليت السائل القابل للاشتعال الموجود في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية؛ لتقدم حلًا واعدًا لقيود الأداء والسلامة في التقنية الحالية.
ومع ذلك بقيت هناك عقبة كبرى تمثّلت في تكوين طبقة الطور البيني عند الواجهة الموجودة بين الإلكتروليت والكاثود، وفق معلومات اطلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.
وكثيرًا ما كانت هشاشة المواد المُصنّع منها الإلكتروليت الصلب، أبرز التحديات التي تواجه تقنية بطاريات الحالة الصلبة، وترجئ ظهورها وانتشارها.
وقال الأستاذ المساعد الذي قاد فريق البحث في جامعة ميسوريماتياس يانغ: "حينما يلمس الإلكتروليت الصلب الكاثود؛ فإنه يتفاعل ويُشكِّل طبقة طور بيني سُمكها قرابة 100 نانومتر، أي أصغر بواقع ألف مرة من سُمك شعرة آدمية واحدة".
وأضاف يانغ: "هذه الطبقة تحول دون تحرك أيونات الليثيوم والإلكترونات بسلاسة؛ ما يزيد المقاومة ويؤثر سلبًا في أداء البطارية".
تقنية متطورة
استعمل الباحثون تقنية بالغة التطور والتعقيد وهي المجهر الإلكتروني الناقل الماسح رباعي الأبعاد 4 دي إس تي إي إم، وفق الدراسة التي طالعت نتائجها منصة الطاقة المتخصصة.
وقال يانغ: "عبر استعمال تقنية (4 دي إس تي إي إم)، فحص الباحثون التركيب الذري للبطارية دون تفكيكها، وهو إنجاز ثوري في هذا المجال".
وعبر فحص التفاصيل الدقيقة لآلية العمل الداخلي للبطارية، تمكّن فريق البحث من تحديد طبقة الطور البيني بوصفها السبب الرئيس لتدهور أداء البطارية.
ويُركز فريق البحث حاليًا على تطوير إستراتيجيات مبتكرة لتخفيف الآثار السلبية لطبقة الطور البيني، بما في ذلك استعمال مواد ذات طبقة رقيقة لتصنيع طلاءات واقية يمكنها حماية الإلكتروليت الصلب والكاثود من التفاعلات غير المرغوبة.
ويتعيّن تصميم تلك الطلاءات بعناية؛ بحيث تكون رقيقة على نحو يسمح لها بنقل الأيونات بكفاءة، وسميكة بما يكفي لتوفير الحماية الكافية.
وفي هذا الخصوص قال الأستاذ المساعد الذي قاد فريق البحث في جامعة ميسوري ماتياس يانغ: "يجب أن تكون طبقة الطلاءات رقيقة بما يكفي لمنع التفاعلات، غير أنه لا يتعين أن تكون سميكة جدًا؛ كي لا تمنع تدفق أيونات الليثيوم".
وتابع: "نستهدف المحافظة على خصائص الأداء العالي لمواد الإلكتروليت الصلب والكاثود، وهدفنا هنا هو استعمال تلك المواد معًا دون التضحية بأدائها من أجل التطابق".
تطوير بطاريات الحالة الصلبة
قطعت شركات صناعة السيارات الرائدة خطوات واسعة كذلك في مجال بطاريات الحالة الصلبة، مثل مرسيدس الألمانية التي كشفت النقاب عن "أول سيارة كهربائية في العالم" تعمل بتلك التقنية.
وفي تطور آخر، عملت شركة تويوتا اليابانية على تطوير نوع جديد من مادة الكاثود لجميع البطاريات ذات الحالة الصلبة، والتي من شأنها أن تضاعف مدى السيارات الكهربائية.
وعبر مواجهة التحديات الرئيسة المقترنة ببطاريات الحالة الصلبة، يستهدف الباحثون في جامعة ميسوري استحداث حلول تخزين طاقة آمنة وأكثر فاعلية وأطول زمنًا.
وقال فريق البحث: "هذا النهج المصمم بعناية على مستوى تقنية النانو -الجزيئات متناهية الصغر- سيساعد على ضمان عمل تلك المواد سويًا في تناغم وسلاسة؛ ما يقرب بطاريات الحالة الصلبة خطوة نحو عالم الواقع"، في بيان صحفي.
وتتيح تلك البطاريات كثافة طاقة أعلى قياسًا بنظيراتها من بطاريات الليثيوم؛ إذ تستوعب الأولى قرابة 3 أمثال سعة الثانية، ما يُمكّن من توفير بطاريات ذات أحجام أصغر بإمكانات أعلى ومدى أطول.
بطاريات الليثيوم والكبريت
إلى جانب التطورات التي حققتها صناعة بطاريات الحالة الصلبة، أحدث فريق من الباحثين الصينيين والألمان مؤخرًا طفرةً كبيرةً في تقنية بطاريات الليثيوم والكبريت -نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن، وتتميز بطاقتها النوعية العالية-.
ولدى بطارية الليثيوم والكبريت القدرة على إتاحة 25 ألف دورة شحن، بسعة احتفاظ بالطاقة لامس نسبتها 80%، بحسب معلومات اطلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.
كما توفر تقنية بطاريات الليثيوم والكبريت أداءً أعلى بتكلفة أقل، قياسًا ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية، بفضل توافر الكبريت على نطاق واسع وفاعليته من حيث التكلفة؛ ما يقلل من نفقات الإنتاج ومخاطر سلسلة الإمدادات.
موضوعات متعلقة..
- هل تغيّر بطاريات الحالة الصلبة مستقبل السيارات الكهربائية؟ (تقرير)
- 10 مزايا لبطاريات الحالة الصلبة قد تغيّر صناعة السيارات الكهربائية للأبد (تقرير)
- السيارات الكهربائية.. هل تصبح بطاريات الحالة الصلبة حلًا للحرائق؟
اقرأ أيضًا..
- مناجم اليورانيوم الخاملة في تكساس.. سلاح أميركا لتحريك قطاع الطاقة النووية
- الكشف عن خُطط لزيادة سعة الطاقة النووية في أميركا 3 أضعاف
- الطاقة النووية في أميركا.. لماذا أصبحت الخيار المفضّل لشركات مراكز البيانات؟
المصدر:
