أخبارالطاقة

بطاريات الصوديوم القابلة لإعادة الشحن أكثر أمانًا وصديقة للبيئة وغير مكلفة

يمكن لبطارية قابلة لإعادة الشحن أكثر أمانًا وصديقة للبيئة وغير مكلفة لتشغيل المركبات الكهربائية والهواتف المحمولة والعديد من التطبيقات الأخرى أن تكون خطوة أقرب بعد اكتشاف اختراق من قبل باحثين NUS.

حدد الفريق الذي يقوده البروفيسور المساعد بيرمانويل (بييرو) كانيبا (قسم علوم وهندسة المواد في كلية التصميم والهندسة NUS تركيبة إلكتروليت صلبة جديدة تعتمد على أيونات الصوديوم والتي قد تتيح شحن البطارية وتفريغها بسرعة فائقة.

نُشر بحثهم مؤخرًا في مجلة Nature Communications ، قال البروفيسور كانيبا: “إن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية والمستخدمة على نطاق واسع تعاني من مشكلات تتعلق بالسلامة، خاصة بسبب القابلية العالية للاشتعال للإلكتروليتات السائلة التي تحتوي عليها”، “كان التحدي يتمثل في إيجاد بدائل أكثر أمانًا للحالة الصلبة يمكن أن تنافس من حيث سرعة الشحن وطول العمر وقدرة الشحن المحتملة.”

بطاريات أكثر أمانًا وعالية السعة

اعتبر الباحثون على نطاق واسع أن استخدام مواد خزفية غير قابلة للاشتعال – تُعرف باسم الإلكتروليتات الصلبة- لإنشاء بطارية بحالة صلبة تمامًا هو أفضل احتمال لتقديم بطاريات أكثر أمانًا وعالية السعة اللازمة لتلبية متطلبات الطاقة لمستقبل منخفض الكربون.

تكمن الصعوبة في تطوير التركيب الصحيح لمادة السيراميك القادرة على تقديم أداء ينافس الشوارد السائلة القابلة للاشتعال لبطاريات الليثيوم أيون التجارية التجارية .

تستخدم تركيبة الحالة الصلبة الجديدة التي طورها فريق NUS فئة من الإلكتروليتات الصلبة المعروفة باسم NASICONs أو Natrium Super Ionic Conductors التي تم اكتشافها لأول مرة منذ حوالي أربعة عقود بواسطة Hong and Goodenough -الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019.

بالإضافة إلى كونها أكثر أمانًا ، باستخدام الصوديوم بدلاً من الليثيوم ، تتمتع البطارية بميزة إضافية تتمثل في كونها أرخص وأسهل في الإنتاج.

قال البروفيسور كانيبا: “معظم الليثيوم في العالم ، وهو عنصر نادر إلى حد ما في حد ذاته ، يتم الحصول عليه من أماكن قليلة فقط – في المقام الأول من تشيلي وبوليفيا وأستراليا”، “استخدام بطارية تعتمد على الصوديوم هو أكثر فاعلية ، حيث يمكن استخراج الصوديوم بسهولة وبشكل نظيف – حتى في مكان صغير مثل هنا في سنغافورة.”

نهج متقدم

تم اكتشاف هذا الاكتشاف من قبل فريق الأستاذ كانيبا باستخدام نهج من أسفل إلى أعلى تضمن أولاً تطوير نموذج نظري بمقياس ذري لتركيب سيراميك NASICON باستخدام حواسيب عملاقة عالية الطاقة وخوارزميات جديدة طورها نفس الفريق.

تم بعد ذلك تصنيع التركيبة المصممة بشكل تجريبي وتمييزها واختبارها من قبل الفريق البروفيسور في أميان بفرنسا، تم بعد ذلك قياس سرعة حركة الأيونات في تركيبة NASICON الجديدة في NUS وفي معهد أبحاث الطاقة والمناخ في يوليش بألمانيا.

قال البروفيسور كانيبا: “الطريقة التي استخدمناها تمكن الباحثين من تسريع تطوير وتحسين الشوارد الصلبة الجديدة، مضيفا “نعتقد أن هذا النهج المتقدم سيكون حاسمًا لتطوير الجيل القادم من تقنيات تخزين الطاقة النظيفة.”

ستركز المرحلة التالية من البحث ، التي يعمل عليها الفريق الآن ، على تطوير بطارية صلبة كاملة الحجم باستخدام سيراميك NASICON ، وإظهار أداء الشحن والتفريغ.

يقود الأستاذ كانيبا مختبر أبحاث Canepa في NUS ، والذي يستفيد من قوة أجهزة الكمبيوتر العملاقة وخوارزميات المحاكاة المتقدمة لدفع الحدود في تحويل وتخزين الطاقة النظيفة.

أبحاث على بطاريات الحالة الصلبة بالكامل

في دراسة ذات صلة ، قام الباحثون في Canepa Lab بفحص أحد التحديات الرئيسية في تطوير بطاريات الحالة الصلبة بالكامل: الواجهة بين الأنود القلوي المعدني والإلكتروليت الصلب ، والذي غالبًا ما يكون غير مستقر ومصدرًا لفشل البطارية.
يعتمد استقرار هذه الواجهة على خصائص الطبقة البينية المتميزة كيميائيًا والتي تتشكل عند الحدود ، والمعروفة باسم الطور البيني للكهرباء الصلبة.

في دراستهم ، التي نُشرت مؤخرًا في مجلة PRX Energy ، درس الفريق بقيادة Yuheng Li واجهة البطارية بين أنود معدن الليثيوم وإلكتروليت صلب معروف جيدًا ، حيث يتشكل الطور البيني الثابت والمستقر.

لفهم أصل هذا الاستقرار، استخدم المؤلفون محاكاة المقياس الذري لنمذجة التوصيل الإلكتروني للطور البيني. وجدوا أن الطور البيني عازل إلكترونيًا ، وبالتالي يوقف التكوين التدريجي لنفسه ويثبت الواجهة.

يقول الفريق إن النتائج التي توصلوا إليها توفر إرشادات تصميم بشأن واجهات البطارية المستقرة ، مما يساعد على تسريع تسويق بطاريات الحالة الصلبة بالكامل الآمنة وعالية الأداء.

تابعنا على تطبيق نبض

Comments

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى
%d مدونون معجبون بهذه: