استخدام تقنية الطلاء في بطاريات الحالة الصلبة لإطالة عمرها وإعادة شحنها عدة مرات.. للحصول على أداء أفضل للسيارة الكهربائية
يقلل معدل تسرب الإلكترونات ويفتح الباب لتطوير مجموعة واسعة من تقنيات بطاريات الحالة الصلبة
يمكن لتقنية الطلاء المستخدمة منذ فترة طويلة في تصنيع رقائق الكمبيوتر أن تمكن البطارية من الشحن عدة مرات طوال عمرها وتجعل تصنيعها أسهل بكثير.
نجح العلماء في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE) في تكييف هذه التقنية لاستخدامها مع بطاريات الحالة الصلبة، وهي بطاريات مصنوعة من جميع المواد الصلبة.
الدراسة ، التي نشرت في مجلة المواد المتقدمة، هي أول عرض على الإطلاق لهذه التقنية، المعروفة باسم ترسيب الطبقة الذرية، على شكل مسحوق من الإلكتروليتات الصلبة المحتوية على الكبريت.
الإلكتروليتات هي مواد تنقل الأيونات (الجسيمات المشحونة) بين قطبي البطارية، وتحول الطاقة الكيميائية إلى كهرباء.
مادة صلبة واعدة، لكن بها تحديات
توفر بطاريات الحالة الصلبة العديد من المزايا المحتملة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية ذات الإلكتروليتات السائلة: تعزيز الأمان، والقدرة على تخزين المزيد من الطاقة لكل وحدة حجم، والقدرة على شحن المزيد من المرات طوال عمرها الافتراضي. هذه المزايا مثالية لبطاريات السيارات الكهربائية.
ركزت دراسة أرجون على الأرجيروديت، وهي فئة من الشوارد الصلبة التي تحتوي على الكبريت.
تتمتع الأرجيروديت بالعديد من المزايا مقارنة بالإلكتروليتات ذات الحالة الصلبة الأخرى.
لديهم موصلية أيونية أعلى، مما يعني أنهم يستطيعون نقل الأيونات عبر البطارية بسرعة أكبر. يمكن أن يترجم هذا إلى معدل شحن أسرع للسيارات الكهربائية.
كما أن عملية معالجة الأرجيروديت أسهل وأرخص في الكريات التي تدخل في نهاية المطاف في البطاريات.
لكن الأرجيروديت يمثل تحديات تصنيعية. نظرًا لأنها شديدة التفاعل مع الهواء، فقد يكون من الصعب التعامل معها في مصنع إنتاج البطاريات.
بالإضافة إلى ذلك، فإنها تتفاعل بسهولة مع مواد الأقطاب الكهربائية مثل معدن الليثيوم. تنتج التفاعلات مواد كيميائية تؤدي إلى تدهور جودة واجهات الإلكتروليت /القطب الكهربائي.
يمكن أن تؤدي التفاعلات أيضًا إلى إبطاء نقل أيونات الليثيوم، وتقليل أداء البطارية، والتسبب في تكوين التشعبات. التشعبات هي هياكل ليثيوم تشبه الإبرة تجعل البطاريات أقل أمانًا وأقل متانة.
تطوير طريقة جديدة
ولمواجهة هذه التحديات، أراد باحثو أرجون تطوير طريقة جديدة لتصميم كيمياء سطح الأرجيروديت بدقة. لكي تكون هذه الطريقة عملية، يجب أن تكون سهلة التنفيذ في منشآت تصنيع البطاريات في العالم الحقيقي.
قرروا تكييف ترسيب الطبقة الذرية من صناعة إنتاج الرقائق. تتضمن طريقة الطلاء هذه استخدام الأبخرة الكيميائية التي تتفاعل مع سطح المادة الصلبة لتكوين طبقة رقيقة.
وقال جوستين كونيل، عالم المواد في أرجون الذي يقود المشروع: “يلعب سطح الإلكتروليت الصلب دورًا حاسمًا في كيفية تفاعل الإلكتروليتات والأقطاب الكهربائية في البطارية”، “تتيح لنا هذه الطريقة تصميم البنية السطحية على المستوى الذري، ونعتقد أن هذا المستوى الدقيق من التحكم ضروري لتحسين أداء بطاريات الحالة الصلبة .”
أثبتت تقنية الطلاء فعاليتها
استخدم فريق أرجون ترسيب الطبقة الذرية لتغليف إلكتروليت الأرجيروديت في شكل مسحوق. سبق أن استخدم باحثون آخرون هذه التقنية لتغليف الأرجيروديت بعد معالجة شكل المسحوق إلى كريات.
لكن باحثي أرجون أدركوا أنه يتعين عليهم التعامل مع المشكلة بشكل مختلف لدمج ترسيب الطبقة الذرية في تصنيع بطاريات الحالة الصلبة على نطاق واسع.
وقال كونيل: “سيكون من الصعب قياس طلاء الكريات لأنها هشة”، “كما يجب أيضًا تغليف الكريات على دفعات، وهذا من شأنه أن يزيد تكاليف التصنيع.”
التحليل الطيفي
قام الباحثون بتسخين المسحوق وتعريضه لبخار الماء وثلاثي ميثيل الألومنيوم، مما ينتج عنه طبقة رقيقة من الألومينا (أكسيد الألومنيوم) على جميع جزيئات الإلكتروليت الفردية.
في مصدر الفوتون المتقدم في أرجون، استخدم الفريق تقنية توصيف تسمى التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية لتحديد أن الطلاء لم يعطل البنية الكيميائية للأرجيروديست الأساسي، تتضمن هذه التقنية إضاءة المادة بأشعة سينكروترونية مكثفة وقياس انتقال وامتصاص الأشعة السينية في المادة.
في مركز أرجون للمواد النانوية، استخدم الباحثون تقنيتين لتحديد ما إذا كانت الطلاءات تتوافق جيدًا مع محيط جزيئات الإلكتروليت الفردية.
التقنية الأولى، المعروفة باسم المسح المجهري الإلكتروني النافذ، أنشأت صورًا لبنية المادة باستخدام شعاع إلكتروني مركّز.
التقنية الثانية، تسمى التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة من الطاقة، تقوم بتقييم العناصر الموجودة في المادة.
وقد تم ذلك عن طريق الكشف عن الأشعة السينية المنبعثة من الإلكترونات المستخدمة في تقنية المجهر الإلكتروني النافذ الماسح .
من خلال التوافق الجيد مع ملامح المنحل بالكهرباء، يمكن للطلاءات أن تتيح اتصالًا أكثر اتساقًا وحميمية بين الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية، وهو أمر ضروري لأداء جيد للبطارية.
ووجد الباحثون أيضًا أن الطلاءات قللت بشكل كبير من تفاعل المسحوق مع الهواء، وهذا يجعل معالجة المسحوق أسهل في منشآت التصنيع واسعة النطاق.
بعد ذلك، قام الباحثون بضغط المساحيق المطلية في كريات ودمجوا الكريات في خلية بطارية على نطاق المختبر مع أنود (قطب كهربائي سلبي) مصنوع من معدن الليثيوم، ثم شحن وتفريغ هذه البطارية بشكل متكرر بالإضافة إلى بطارية أخرى مصنوعة من إلكتروليتات غير مغلفة، ومقارنة أدائها.
فوائد الطلاء غير متوقعة
ووجد الفريق أن الطلاء قلل بشكل كبير من تفاعل الإلكتروليت مع أنود الليثيوم، كما أنه يقلل من معدل تسرب الإلكترونات من المنحل بالكهرباء، وهذا أمر مهم لأنه يعتقد أن الإلكترونات المتسربة تؤدي إلى تفاعلات تشكل التشعبات.
وقال جيفري إيلام، كبير الكيميائيين في أرجون وأحد مؤلفي الدراسة: “للحصول على الأداء الأمثل للسيارة الكهربائية، يجب أن تنتقل الإلكترونات الناتجة عن التفاعلات الكيميائية للبطارية – الكهرباء – من الأقطاب الكهربائية إلى محرك السيارة”.
لاحظ الفريق فائدة غير متوقعة للطلاء: فقد ضاعف الموصلية الأيونية للكهارل.
وقال زاكاري هود، عالم المواد في أرجون والمؤلف الرئيسي للدراسة: “نظرًا لأن الألومينا مادة عازلة – وهي مادة تبطئ حركة الشحنات – لم نتوقع هذا التحسن في الموصلية”.
معًا، يمكن لفوائد الطلاء أن تزيد بشكل كبير عدد المرات التي يمكن فيها شحن وتفريغ بطارية الحالة الصلبة قبل أن يبدأ أدائها في التدهور.
ويعتقد الباحثون أن الطلاء يمكّن المنحل بالكهرباء من الاتصال بشكل أفضل بالأنود، على غرار كيفية انتشار قطرة الماء على سطح زجاجي نظيف.
وقال بيتر زابول، عالم فيزياء أرجون وأحد مؤلفي الدراسة: “نعتقد أن الطلاء يعيد توزيع أيونات الليثيوم على سطح المنحل بالكهرباء، ويخلق المزيد من المساحات الفارغة على طول السطح لتمرير الأيونات من خلالها”، “قد تساعد هذه العوامل في تفسير الموصلية المحسنة.”
تطوير مجموعة واسعة من بطاريات الحالة الصلبة
ويفتح نجاح الدراسة خطا جديدا من البحث، يمكن للعلماء استخدام تقنية الطلاء مع إلكتروليتات وطلاءات مختلفة، مما قد يؤدي إلى تطوير مجموعة واسعة من تقنيات البطاريات ذات الحالة الصلبة.
