استراتيجية سريعة وصديقة للتصنيع لبطاريات ليثيوم صلبة عالية الأداء

يُعتبر ربط معدن الليثيوم بأسطح السيراميك خطوة أساسية لتصنيع بطاريات الليثيوم الصلبة، إلا أن تحقيق هذا الربط يمثل تحديًا بسبب تكوّن طبقات شوائب على الأسطح، ما يعيق عملية التماسك “البلل” الضرورية لالتحام المعادن بالسيراميك.

وجد باحثو المعهد المتقدم لأبحاث المواد بجامعة توهوكو (WPI-AIMR) أن اللحام بالموجات فوق الصوتية يمكن أن يحل هذه المشكلة.

وفقًا لإريك جيانفنغ تشنغ، فإن تطبيق اللحام بالموجات فوق الصوتية لربط الليثيوم مباشرة مع إلكتروليت أكسيد من نوع الجرانيت Li₇La₃Zr₂O₁₂ (LLZO) هو أسلوب غير مستكشف سابقًا في هذا المجال.

تتميز البطاريات الصلبة القائمة على الليثيوم بإمكانياتها الكبيرة لتخزين الطاقة، وخاصة استخدام إلكتروليتات الجرانيت LLZO لما لها من موصلية أيونية عالية واستقرار كيميائي ممتاز.

ولكن، إقامة اتصال فعّال بين الليثيوم والسيراميك صعبة بسبب تكوّن طبقات Li₂CO₃ العازلة على السطح، والتي تمنع مرور أيونات الليثيوم وتعيق عملية البلل.

يتيح اللحام بالموجات فوق الصوتية تشكيل واجهة ليثيوم-LLZO في ثوانٍ عند درجة حرارة الغرفة، حيث تعمل الاهتزازات عالية التردد على إزالة الطبقات العازلة، مع ضغط محكم يسمح للليثيوم بالتشكل وفق سطح السيراميك الصلب، مما يقضي على الفراغات ويؤمن اتصالًا صلبًا مباشرًا بدون ذوبان أو تفعيل حراري.

باستخدام اللحام بالموجات فوق الصوتية وحده، انخفضت المقاومة البينية إلى حوالي 225 Ω·سم²، وعند إضافة طبقة ذهب رقيقة، انخفضت المقاومة إلى نحو 1.5 Ω·سم²، وهو من أقل القيم المبلغ عنها لمثل هذه الواجهات عند درجة حرارة الغرفة، اختبارات الخلايا المتماثلة أكدت جدوى هذه الطريقة عمليًا.

تمثل هذه الاستراتيجية السريعة والصديقة للتصنيع مسارًا فعالًا لتطوير بطاريات صلبة قائمة على الأكسيد، مما يسهم في تصنيع بطاريات أكثر أمانًا وعالية الطاقة للسيارات الكهربائية وتخزين الطاقة المتجددة والأجهزة المحمولة.