تطوير طريقة منخفضة التكلفة لإنتاج بطاريات الحالة الصلبة كبيرة المساحة.. كثافة وسلامة قياسية

طور المعهد الكوري لبحوث المعايير والعلوم (KRISS) تقنية مواد أساسية تسرع من عملية تسويق بطاريات الحالة الصلبة،(ASSBs) ، وهي بطاريات الجيل القادم المصممة للقضاء على مخاطر الحريق والانفجار، ونُشرت الدراسة في مجلة Materials Today.

أظهر فريق مجموعة قياس المواد الناشئة في KRISS قدرة إنتاج أغشية إلكتروليت صلبة كثيفة وكبيرة المساحة عن طريق تطبيق طريقة تقوم على طلاء مسحوق الإلكتروليت الصلب بمركبات متعددة الوظائف، مما يقلل تكاليف الإنتاج إلى عشر التكلفة التقليدية.

تعتمد بطاريات الليثيوم أيون الثانوية، المستخدمة على نطاق واسع في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة، على إلكتروليتات سائلة قابلة للاشتعال، مما يجعلها عرضة للحريق والانفجار.

وعند الاشتعال، يصعب إخماد هذه الحرائق، وقد أبرزت حوادث حديثة، بما في ذلك حريق في مركز بيانات حكومي وإصابات نتيجة انفجارات بطاريات السيارات الكهربائية، الحاجة الملحة لتقنيات بطاريات أكثر أمانًا.

كيف تعزز بطاريات الحالة الصلبة السلامة

تستبدل بطاريات الحالة الصلبة الإلكتروليتات السائلة بإلكتروليتات صلبة غير قابلة للاشتعال، مما يحسن السلامة بشكل جذري.

بطاريات أكسيد الحالة الصلبة تحظى باهتمام خاص نظرًا لكثافتها الطاقية العالية وغياب مخاطر إطلاق الغازات السامة المرتبطة بالأنظمة القائمة على الكبريتيد.

تعتمد بطاريات أكسيد الحالة الصلبة بشكل أساسي على الإلكتروليتات الصلبة من نوع الغارنيت كمادة أساسية، هذه الإلكتروليتات تتميز بموصلية أيونية عالية واستقرار كيميائي ممتاز، ومع ذلك، فإن تصنيع أغشية إلكتروليت عالية الأداء يتطلب عملية تكليس عند درجات حرارة تتجاوز 1000 °م.

ومن التحديات الرئيسة خلال هذه العملية تبخر الليثيوم، مما يضعف استقرار الهيكل، ويقلل من الموصلية الأيونية، ويزيد المقاومة بين الأسطح، ويصعّب تصنيع أغشية كبيرة المساحة.

تقنية التصنيع المبتكرة والنتائج

كانت الأساليب التقليدية تعتمد على تغطية الأغشية بكميات كبيرة من “مسحوق الأم” (إلكتروليت يحتوي على الليثيوم) أثناء التكليس، لكن معظم هذا المسحوق يُهدر، مما يزيد التكاليف ويعيق التسويق التجاري.

عالج KRISS هذه المشكلة بتطوير تقنية تقوم على طلاء مسحوق الإلكتروليت الصلب بمركبات Li–Al–O متعددة الوظائف بشكل رقيق.

يوفّر هذا الطلاء الليثيوم أثناء التكليس ويمنع تبخره، ويعزز الترابط بين الجزيئات عبر تأثير يشبه اللحام، مما يزيد من كثافة الأغشية.

باستخدام هذه الطريقة، حقق الفريق كثافة قياسية تفوق 98.2% دون استخدام مسحوق الأم المكلف، مُنتجين أغشية إلكتروليت صلبة عالية القوة وخالية من العيوب الكيميائية والميكانيكية.

كما تحسّنت الموصلية الأيونية أكثر من ضعف مقارنة بالمواد التقليدية، في حين انخفضت الموصلية الإلكترونية بأكثر من 20 مرة، ما يقلل خطر تسرب التيار الداخلي ويعزز كفاءة وسلامة البطارية.

كما نجح الباحثون في تصنيع أغشية إلكتروليت صلبة كبيرة المساحة بمساحة 16 سم²، أكبر بعشر مرات من عينات المختبر التقليدية، وبنسبة إنتاج ممتازة بلغت 99.9%.

الأثر الصناعي وآفاق المستقبل

صرّح الدكتور بايك سونج-ووك، الباحث الرئيسي في مجموعة قياس المواد الناشئة، قائلاً: “هذا الإنجاز يحل تحديات المواد والتصنيع القديمة التي ظلت دون حل لأكثر من عقدين في أبحاث الإلكتروليتات من نوع الجارنيت، من خلال تقليل تكاليف الإنتاج بشكل كبير، من المتوقع أن تسرّع تقنيتنا تسويق بطاريات أكسيد الحالة الصلبة وتعزز الابتكار في أسواق أنظمة التخزين والسيارات الكهربائية.”

وأضافت الدكتورة كيم هوا-جونج، الباحثة ما بعد الدكتوراه في نفس المجموعة: “حاليًا، تعتمد كوريا بالكامل على الاستيراد للحصول على أقراص إلكتروليت الجارنيت، التي تتجاوز تكلفة الوحدة الصغيرة بقطر 1 سم 550 دولارًا أمريكيًا.

من المتوقع أن يفتح هذا الاختراق الطريق للإنتاج المحلي للمواد عالية القيمة للجيل القادم من البطاريات.”

تم تنفيذ هذا البحث بالتعاون مع فريق بارك هيوكجون في قسم علوم وهندسة المواد، جامعة كوريا.