علماء يكشفون سبب تدهور بطاريات السيارات الكهربائية وتعرضها للتلف
بحث جديد يرسم خارطة طريق لبطاريات كهربائية أكثر أمانًا وطول عمر
لطالما عانت السيارات الكهربائية من حرائق البطاريات وتراجع مدى السير وفشل البطارية المبكر، والآن، يقول العلماء إن أحد أكثر الألغاز صعوبة حول تدهور البطاريات قد تم حله على مستوى مليار جزء من المتر.
كشفت دراسة مشتركة بين مختبر أرغون الوطني وجامعة شيكاغو، بكلية بريتزكر للهندسة الجزيئية، سبب ضعف أداء فئة جديدة من بطاريات الليثيوم أيون، والتي كانت تُعتبر أكثر أمانًا وأطول عمرًا، وقد تؤثر هذه النتائج على تصميم بطاريات السيارات الكهربائية مستقبلًا.
تركز الدراسة على بطاريات الليثيوم أيون الغنية بالنيكل، والتي تُستخدم على نطاق واسع في السيارات الكهربائية.
بينما تعتمد النسخ التقليدية على الكاثود متعدد البلورات المصنوع من العديد من البلورات الصغيرة، اتجه الباحثون مؤخرًا إلى الكاثود أحادي البلورة لتجنب التشقق وتحسين المتانة.
ومع ذلك، لم تؤدِ البطاريات أحادية البلورة دائمًا بشكل أفضل.
رغم غياب حدود الحبوب، وهي النقاط المعتادة لبدء التشققات، إلا أنها لا تزال تتدهور، ما أثار حيرة العلماء وزاد من المخاوف بشأن العمر الافتراضي والسلامة.
قال خليل أمين، زميل أرجون أستاذ مشترك في جامعة شيكاغو “تحقيق التحول الكهربائي للمجتمع يحتاج إلى مساهمة الجميع، إذا لم يثق الناس في سلامة البطاريات وطول عمرها، فلن يختاروا استخدامها.”
تشقق على مستوى النانو
تكشف الدراسة سبب فشل الكاثود أحادي البلورة، فقد تم تطبيق افتراضات مستمدة من المواد متعددة البلورات بشكل غير صحيح على تصميمات البلورة الواحدة.
قالت جينج وانج، المؤلفة الأولى للدراسة: “عندما يحاول الناس الانتقال إلى الكاثود أحادي البلورة، كانوا يتبعون نفس مبادئ التصميم للكاثود متعدد البلورات، توضح دراستنا أن آلية التدهور الرئيسية للبلورات الأحادية مختلفة.”
وباستخدام تقنيات الأشعة السينية المتقدمة والمجهر الإلكتروني عالي الدقة، وجد الباحثون أن التشقق في الكاثود أحادي البلورة ناتج عن تفاوت التفاعلات. تتفاعل مناطق مختلفة داخل الجسيم الواحد بسرعات مختلفة، مما يولد إجهادًا داخليًا يؤدي إلى تشققات من الداخل.
قال تونجتشاو ليو، كيميائي في أرجون: “نظهر أن التدهور في كاثود NMC أحادي البلورة يُحكم بشكل أساسي بواسطة نمط فشل ميكانيكي مميز. وتثبت هذه الدراسة العلاقة المباشرة بين تركيب المواد ومسارات التدهور.”
إعادة التفكير في كيمياء البطاريات
تغير هذه الاكتشافات التفكير التقليدي حول مواد البطاريات. في الكاثود متعدد البلورات، يُعرف أن الكوبالت يعزز التشقق ولكنه ضروري لمنع الفوضى الهيكلية.
أما في الكاثود أحادي البلورة، يبدو أن العكس صحيح.
من خلال اختبار بطاريات النيكل-الكوبالت والنيكل-المنغنيز بشكل منفصل، وجد الفريق أن المنغنيز يسبب أضرارًا ميكانيكية أكبر، بينما يحسن الكوبالت المتانة.
قالت شيرلي مينج، مديرة تحالف أبحاث تخزين الطاقة في أرجون: “ليست هناك حاجة فقط لاستراتيجيات تصميم جديدة، بل سنحتاج أيضًا إلى مواد مختلفة، من خلال فهم كيفية تدهور أنواع مختلفة من الكاثود، يمكننا تصميم مجموعة من مواد كاثود عالية الأداء.”
ومع فوائده، فإن للكوبالت عيبًا يتمثل في تكلفته العالية.
وقالت وانغ إن التحدي القادم هو إيجاد مواد أقل تكلفة يمكنها محاكاة تأثير الكوبالت المثبت دون رفع أسعار البطاريات.
قال أمين: “التقدم يأتي في دورات، تحل مشكلة، ثم تنتقل إلى التالية.”
تقدم هذه النتائج خارطة طريق أوضح لبطاريات أكثر أمانًا وطول عمر، في وقت يعتمد فيه اعتماد السيارات الكهربائية على الثقة والموثوقية والأداء، وفقًا لما نُشر في Nature Nanotechnology .
