بطاريات الحالة الصلبة.. أداء مستقر لأكثر من 1200 ساعة بفضل تقنية جديدة
محمد عبد السند
ابتكر باحثون تقنية جديدة تمثّل نقطة تحول في صناعة بطاريات الحالة الصلبة؛ إذ تضمّن استقرار أدائها التشغيلي لمدة طويلة جدًا تصل إلى مئات الساعات، وفق نتائج بحث جديد طالعت نتائجه منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).
وعلى الرغم من الآفاق الواعدة لإمكانات البطاريات المذكورة، بقي هناك حاجز يحول دون تسويقها تجاريًا، وهو الواجهة غير المستقرة بين أنودات معدن الليثيوم والإلكتروليتات الصلبة.
غير أن دراسة صينية حديثة قد قدمت حلًا واعدًا -على ما يبدو- لذلك التحدي، الذي يشتمل على استعمال سبيكة الليثيوم والفضة، التي ربما تمهد الطريق أمام ظهور نوع عملي من بطاريات الحالة الصلبة.
وعبر تقليل تدرجات التركيز التي تحفّز عادةً تكوين شجيرات الليثيوم وتتسبّب في تدهور الواجهة، فإن التقنية الجديدة لديها القدرة على تعزيز العمر التشغيلي وموثوقية البطارية.
وشجيرات الليثيوم هي هياكل معدنية يُمكن أن تتراكم على سطح الأنود؛ ما قد يَنتُج عنه ماس كهربائي في خلية البطارية، ومن ثم نشوب حرائق غير مأمونة العواقب.
آفاق التسويق
تفتح التقنية الجديدة التي أعلنها الباحثون في جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا في الصين الباب أمام تسويق بطاريات الحالة الصلبة تجاريًا، عبر إيجاد حل لمعضلة طويلة الأجل لطالما عرقلت ازدهار هذا النوع من البطاريات على الرغم من مزاياها العديدة مثل انخفاض الوزن وارتفاع كثافة الطاقة، إلى جانب مكوناتها غير القابلة للاشتعال، مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون.
فقد طوّر الباحثون أنودًا جديدًا من سبيكة الليثيوم والفضة (LixAg) الموصلة للأيونات والإلكترونات المختلطة التي تُسهم في استقرار الواجهة الحرجة بين معدن الليثيوم والإلكتروليتات الصلبة؛ ما قد يؤدي إلى بطاريات أكثر أمانًا وأعلى كثافة من حيث الطاقة.
وقال الباحثون: "التقنية المطورة حديثًا من الممكن أن تمكّن من ظهور الجيل التالي من المركبات الكهربائية ذات نطاق القيادة الأطول، وقدرات شحن أسرع، إلى جانب معايير أمان معززة"، في بيان صحفي حصلت منصة الطاقة المتخصصة على نسخة منة.
عدم الاستقرار.. والحل
لطالما مثّلت الواجهة غير المستقرة بين أنودات معدن الليثيوم والإلكتروليتات الصلبة، لا سيما المواد مثل أكسيد الليثيوم واللانثانوم والزركونيوم والتنتالوم، المعروف اختصارًا بـ"إل إل زاد تي أو" (LLZTO)؛ تحديًا رئيسًا لسنوات طويلة.
ويؤدي عدم الاستقرار هذا إلى ضعف انتشار الليثيوم وتكوين ما يُطلَق عليه شجيرات الليثيوم؛ ما قد يَنتُج عنه حصول ماس كهربائي ويؤثر سلبًا في العمر التشغيلي للبطارية.
وقال الباحثون: "ما يجعل التقنية الجديدة ثورية هو أنها تغيّر بشكل جذري حركة أيون الليثيوم عند الواجهة الحرجة"، وفق تصريحات تابعتها منصة الطاقة المتخصصة.
وأضافوا: "الأنود الجديد من سبيكة الليثيوم والفضة الموصلة للأيونات والإلكترونات المختلطة تصنع مسارًا لأيونات الليثيوم؛ ما من شانه أن يعزّز حركة الانتشار ويحول دون ظهور تدرجات التركيز التي تؤدي عادةً إلى تكوين الشجيرات وتدهور الواجهة.
وأظهرت الخلايا المتماثلة التي تَستعمِل سبيكة الليثيوم والفضة ثباتًا استثنائيًا في الأداء لمدة 1200 ساعة تقريبًا عند كثافة تيار تبلغ 0.2 مللي أمبير/سم²، ويتفوق هذا الأداء التشغيلي للبطارية على نظيره بالنسبة إلى أنودات الليثيوم المعدنية التقليدية، وفق معلومات طالعتها منصة الطاقة المتخصصة.
إلى جانب ذلك جرى قياس مقاومة الواجهة بين الإلكتروليت المصنوع من مادة "إل إل زد تي أو" وأنود سبيكة الليثيوم والفضة عند درجة منخفضة للغاية تصل إلى 2.5 أوم سنتيمتر؛ ما يشير إلى نقل الأيونات بكفاءة عالية عبر الواجهة.
*(الأوم سنتيمتر هي وحدة قياس المقاومة).
وفي هذا الصدد قال الباحثون: "هذا الخفض الدراماتيكي في مقاومة الواجهة يمكّن من إنتاجية كهرباء عالية وكفاءة طاقة معززة".
شبكة ناعمة للانتشار المستدام
يعزو الباحثون نجاح سبيكة الليثيوم والفضة إلى خصائصها الفيزيائية الفريدة، بما في ذلك نقطة الانصهار المنخفضة والقابلية العالية للذوبان المتبادل مع الليثيوم.
وفي هذا الخصوص، أفاد الباحثون: "هذه الخصائص تؤدي إلى بناء شبكة ناعمة تحافظ على معدلات انتشار الليثيوم العالية حتى مع تغير التركيب في أثناء دورة البطارية".
ولاحظ الفريق أن نزع الليثيوم وطلائه يحدث بصفة تفضيلية في أثناء دورة البطارية عند الواجهة بين سبيكة الليثيوم والفضة، وجامع التيار وليس عند الواجهة الدقيقة بين أكسيد الليثيوم واللانثانوم والزركونيوم والتنتالوم وسبيكة الليثيوم والفضة.
وتابعوا: "تلك الظاهرة تحمي بصفة فعّالة الواجهة الحرجة بين الإلكتروليت والأنود من فقدان التلامس خلال الدورة، وهي أحد أوجه الإخفاق الشائعة في بطاريات الحالة الصلبة".
استقرار ممتاز
في معرض إثباتهم الإمكانات العملية لتقنيتهم المبتكرة، بنى الباحثون خلايا كاملة باستعمال كاثودات بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LiFePO4)، وإلكتروليتات أكسيد الليثيوم واللانثانوم والزركونيوم والتنتالوم، وأنودات من سبيكة الليثيوم والفضة.
وتُظهِر تلك الخلايا استقرارًا كبيرًا في الدورة وأداءً تشغيليًا ممتازًا، كما تؤكد الجدوى التقنية لهذا النهج بالنسبة إلى التطبيقات في العالم الحقيقي.
ويقول الباحثون إن نتائجهم تقدم دليلًا قيمًا لاستعمال سبائك أخرى لمواد الأنود في بطاريات الحالة الصلبة.
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..
- هل تتجسس الصين على قطاع الطاقة في بريطانيا؟.. تقرير حديث يثير الشبهات
- شبكات الكهرباء.. تقنية ذكاء اصطناعي جديدة قد تقلب معادلة العرض والطلب
- أول مزرعة رياح عائمة في العالم تخضع لصيانة غير مسبوقة (فيديو)
المصدر:
1.تقنية مبتكرة لتعزيز أداء بطاريات الحالات الصلبة من موقع "إنترستينغ إنجنيرينغ".
