التصوير المقطعي بالأشعة السينية.. بطاريات محسّنة للسيارات الكهربائية والطيران

يمكن لبطاريات السيارات الكهربائية المحسّنة بشكل كبير أن تكون خطوة أقرب بفضل دراسة جديدة بقيادة باحثين من جامعة أكسفورد.

باستخدام تقنيات التصوير المتقدمة، كشف الباحثون في دراستهم التي نُشرت في دورية Nature عن آليات تتسبب في فشل بطاريات الحالة الصلبة لمعدن الليثيوم Li-SSBs ، إذا أمكن التغلب على هذه المشكلات، يمكن لبطاريات الحالة الصلبة التي تستخدم أنودات الليثيوم المعدنية أن تقدم تحسينًا متدرجًا في نطاق بطارية المركبات الكهربائية، والسلامة والأداء، وتساعد في تطوير الطيران الذي يعمل بالطاقة الكهربائية.

أحد المؤلفين الرئيسيين المشاركين في دراسة دومينيك ملفين، طالب الدكتوراة في قسم المواد بجامعة أكسفورد، قال “إن تطوير بطاريات الحالة الصلبة باستخدام أنودات معدن الليثيوم هو أحد أهم التحديات التي تواجه تقدم تقنيات البطاريات، في حين أن بطاريات الليثيوم أيون اليوم ستستمر في التحسن، فإن البحث في تتمتع بطاريات الحالة الصلبة بإمكانية أن تكون تقنية ذات مكافآت عالية وتغير قواعد اللعبة “.

تتميز Li-SSBs عن البطاريات الأخرى لأنها تحل محل المنحل بالكهرباء السائل القابل للاشتعال في البطاريات التقليدية بإلكتروليت صلب، وتستخدم معدن الليثيوم كقطب موجب (القطب السالب)، يحسن استخدام المنحل بالكهرباء الصلب من السلامة، واستخدام معدن الليثيوم يعني أنه يمكن تخزين المزيد من الطاقة.

فإن التحدي الحاسم مع Li-SSBs هو أنها عرضة لدائرة قصر عند الشحن بسبب نمو ” التشعبات “، خيوط من معدن الليثيوم تتشقق من خلال إلكتروليت السيراميك.

كجزء من مشروع SOLBAT التابع لمؤسسة فاراداي، قاد باحثون من أقسام المواد والكيمياء والعلوم الهندسية بجامعة أكسفورد سلسلة من التحقيقات المتعمقة لفهم المزيد حول كيفية حدوث هذا القصر.

في هذه الدراسة الأخيرة، استخدمت المجموعة تقنية تصوير متقدمة تسمى التصوير المقطعي بالأشعة السينية في مصدر الضوء الماسي لتصور فشل التغصنات بتفاصيل غير مسبوقة أثناء عملية الشحن.

كشفت دراسة التصوير الجديدة، أن بدء وانتشار شقوق التغصنات هما عمليتان منفصلتان، مدفوعان بآليات أساسية مميزة.

تبدأ شقوق التغصنات عندما يتراكم الليثيوم في المسام تحت السطح. عندما تمتلئ المسام ، يؤدي الشحن الإضافي للبطارية إلى زيادة الضغط، مما يؤدي إلى التشقق، في المقابل، يحدث التكاثر مع الليثيوم الذي يملأ الكراك جزئيًا فقط ، من خلال آلية فتح الإسفين التي تدفع الشق إلى الفتح من الخلف.

التغلب على التحديات التكنولوجية

يشير هذا الفهم الجديد إلى الطريق إلى الأمام للتغلب على التحديات التكنولوجية الخاصة بـ Li-SSBs. قال دومينيك ملفين ، “على سبيل المثال ، في حين أن الضغط على أنود الليثيوم يمكن أن يكون جيدًا لتجنب الفجوات التي تتطور في الواجهة مع المنحل بالكهرباء الصلب عند التفريغ، فإن نتائجنا توضح أن الضغط الزائد يمكن أن يكون ضارًا، مما يؤدي إلى انتشار التغصنات وقصر الدائرة شحن أكثر احتمالا “.

قال السير بيتر بروس، رئيس ولفسون ، أستاذ المواد في جامعة أكسفورد، كبير العلماء في معهد فاراداي، والمؤلف المقابل للدراسة، “العملية التي يمكن من خلالها لمعدن ناعم مثل الليثيوم، أن يخترق سيراميك صلب عالي الكثافة أثبت الإلكتروليت أنه من الصعب فهمه من خلال العديد من المساهمات المهمة من قبل علماء ممتازين حول العالم، ونأمل أن تساعد الأفكار

الإضافية التي اكتسبناها في تقدم أبحاث بطاريات الحالة الصلبة نحو جهاز عملي “.

وفقًا لتقرير حديث صادر عن مؤسسة فاراداي، قد تلبي وحدات SSB 50 % من الطلب العالمي على البطاريات في الإلكترونيات الاستهلاكية، و30٪ في النقل، وأكثر من 10٪ في الطائرات بحلول عام 2040.

قال البروفيسور بام توماس، الرئيس التنفيذي لمؤسسة فاراداي، “يواصل باحثو SOLBAT تطوير فهم ميكانيكي لفشل بطارية الحالة الصلبة – إحدى العقبات التي يجب التغلب عليها قبل أن يتم تحقيق البطاريات عالية الطاقة ذات الأداء التجاري المناسب لتطبيقات السيارات.

يقدم المشروع معلومات عن الاستراتيجيات التي قد يستخدمها مصنعو الخلايا لتجنب فشل الخلايا في هذه التقنية.