يزداد الطلب على البطاريات عالية الأداء ، خاصة للاستخدام في السيارات الكهربائية، حيث يحول العالم استهلاكه للطاقة إلى نظام يعمل بالطاقة الكهربائية بشكل أكبر، مما يقلل الاعتماد على الوقود الأحفوري ويعطي الأولوية لجهود معالجة المناخ.
لتحسين أداء البطارية وإنتاجها، طور الباحثون والمتعاونون في ولاية بنسلفانيا أسلوب تصنيع جديد يمكن أن يصنع بطاريات أكثر كفاءة تحافظ على مستويات الطاقة.
قد تؤدي الطريقة المحسّنة لتصنيع أقطاب البطارية الكهربائية إلى بطاريات عالية الأداء من شأنها تمكين السيارات الكهربائية الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، فضلاً عن فوائد مثل تعزيز تخزين شبكة الطاقة ، وفقًا لـ Hongtao Sun صن هو أستاذ مساعد للهندسة الصناعية والتصنيعية في ولاية بنسلفانيا، والمؤلف المشارك المشارك للدراسة، التي نُشرت في الغلاف الأمامي للكربون وظهرت على الغلاف الأمامي .
قال صن: “بالبطاريات الحالية، نريدها أن تمكننا من قيادة السيارة لمسافات أطول، ونريد شحن السيارة ربما في خمس دقائق، أو 10 دقائق، مقارنة بالوقت الذي يستغرقه ملء الوقود”، “في عملنا، درسنا كيف يمكننا تحقيق ذلك من خلال جعل الأقطاب الكهربائية وخلايا البطارية أكثر إحكاما، مع نسبة أعلى من المكونات النشطة ونسبة أقل من المكونات السلبية.”
كلما كان أصغر حجمًا وأخف وزنًا كان ذلك أفضل
إذا أراد صانع سيارات كهربائية تحسين مسافة القيادة لسياراتهم، فإنهم يضيفون المزيد من خلايا البطارية، التي يصل عددها إلى الآلاف، وبحسب صن، كلما كان ذلك أصغر حجمًا وأخف وزنًا، كان ذلك أفضل.
وقال صن: “إن الحل لمسافات القيادة الطويلة للسيارة الكهربائية هو فقط إضافة بطاريات مدمجة، ولكن باستخدام أقطاب كهربائية أكثر كثافة وسمكًا”، موضحًا أن مثل هذه الأقطاب الكهربائية يمكنها توصيل مكونات البطارية وتشغيلها بشكل أفضل، مما يجعلها أكثر نشاطًا، “على الرغم من أن هذا النهج قد يقلل بشكل طفيف من أداء البطارية لكل وزن قطب كهربائي، إلا أنه يعزز بشكل كبير الأداء العام للسيارة من خلال تقليل وزن حزمة البطارية والطاقة اللازمة لتحريك السيارة الكهربائية.”
بطارية ذات نسبة مئوية أعلى
يمكن أن تساعد الأقطاب الكهربائية الأكثر كفاءة – وهي نوع من بوابات الكهرباء في البطارية – في الحصول على بطارية ذات نسبة مئوية أعلى من المكونات النشطة.
قال صن: “إذا فكرت في المكونات الأساسية داخل البطارية ، فإن القطب فقط هو الذي يساهم في أداء البطارية”. “الأجزاء الأخرى مثل التغليف والفاصل والمجمع الحالي وما إلى ذلك، كلها مكونات سلبية تضيف وزنًا ولا تساهم في أداء البطارية على الإطلاق، إذا أردنا تحسين أداء البطارية ، فنحن بحاجة إلى العمل على البطارية مواد قطب كهربائي وتعظيم نسبة وزنها في خلية بطارية “.
ركزت المحاولات السابقة لتحسين أداء البطارية عبر أقطاب كهربائية أفضل على مقياس واحد فقط، والذي لم يكن فعالًا لأن أداء البطارية كان سيئًا في مقاييس المقايضة الأخرى، على سبيل المثال، عندما تعطي البطارية الأولوية لأداء قياس الجاذبية العالي (كمية الطاقة التي يمكن تخزينها بالنسبة لوزنها) ، فقد يؤدي ذلك إلى انخفاض الأداء المتري (مقدار الشحن الذي يمكن تخزينه لكل وحدة مساحة) و/ أو انخفاض الأداء الحجمي ( مقدار الشحن المسلم بالنسبة لحجم البطارية).
تمكين الأداء العالي عبر جميع المقاييس
عادة، تتكون البطاريات من قطب كهربائي من الأغشية الرقيقة من الأنود والكاثود بين ورقتين موصلتين للتيار ويتم فصلهما بواسطة فواصل عازلة. يمكن أن تؤدي زيادة سمك هذه الأقطاب إلى تحسين سعة تخزين الطاقة وكثافتها من خلال توفير مساحة أكبر لتخزين الطاقة وإطلاقها.
يمكن للقطب الكهربي السميك أن يخزن المزيد من الشحنات، وبالتالي، مثل الخزان الأكبر يمكن أن يحمل المزيد من الماء، يمكن أن يحتفظ بمزيد من الطاقة، لديهم أيضًا نقل رديء للشحن، مما يقلل من أدائهم العام.
ركز صن وفريقه البحثي على صنع أقطاب كهربائية أكثر سمكًا بمسارات نقل شحنة مُحسَّنة، بهدف تمكين الأداء العالي عبر جميع المقاييس الثلاثة: المساحي والحجمي والقياس الجاذبية.
للتغلب على التحدي المتمثل في وجود قطب كهربائي أكثر سمكًا له حركيات نقل شحنة ضعيفة، طور الباحثون طريقة لتطبيق Spark Plasma Sintering على الأقطاب الكهربائية SPS ، هي تقنية موفرة للطاقة تستخدم الحرارة والضغط لضغط المواد وتكثيفها في جسم صلب ، مثل قطب كهربائي.
قال سون: “مكنتنا SPS من تصنيع قطب كهربائي كثيف وسميك للغاية”، “السماكة النموذجية لقطب البطارية هي فقط حوالي 50 ميكرون إلى 100 ميكرون ولكن الآن، في هذا العمل، نتحدث عن 300 ميكرون ، 500 ميكرون، وهذا أعلى بخمس مرات من نسبة كتلة القطب في بطارية حقيقية جهاز.”
تحقق هذه التقنية شبكات الكربون المحاذاة رأسياً وقنوات المسام في الأقطاب الكهربائية، مما يتيح للكاثودات ذات كثافة إلكترود عالية الأداء الحجمي العالي وتحميل الكتلة العالية (كمية المادة النشطة الموجودة) للحصول على أداء متري عالي ، مع إظهار عمليات نقل الشحن السريع.
تقليل وزن السيارة بشكل كبير
قال صن إن استخدام الأقطاب الكهربائية السميكة المصممة حديثًا للباحثين مع القدرة على نقل الشحنات السريعة من شأنه أن يزيد نسبة المكونات النشطة، ويعزز قدرة الطاقة التي تم ضبطها من خلال الوزن الإجمالي لحزمة البطارية.
كما أنها تجعل البطاريات مضغوطة بسبب الكثافة العالية للأقطاب الكهربائية، مما يتيح تعبئة المزيد من المواد النشطة للإلكترود في نفس المساحة.
وفقًا لـ Sun ، فإن الخطوات التالية في البحث تشمل تطوير عملية لتصنيع هذه الأقطاب الكهربائية بطريقة قابلة للتطوير والتحقيق في استراتيجيات أخرى لتقليل نسبة وزن البطارية وإتاحة مساحة أكبر للبطارية في السيارة.
قال صن: “نحن نبحث في كيفية تطوير البطاريات الهيكلية وكيفية دمجها في هيكل السيارة”، “على سبيل المثال، يمكننا دمج البطارية في سقف السيارة الكهربائية، وجعلها في الواقع جزءًا من الهيكل، في هذه الحالة، يمكننا تقليل وزن السيارة بشكل كبير نظرًا لأننا نجمع بين الوظيفة والهيكل.”
