تظهر الأبحاث، أنه بدلاً من أن تكون الشقوق في القطب الموجب لبطاريات الليثيوم أيون ضارة فقط، فإنها تقلل من وقت شحن البطارية.
يتعارض هذا مع وجهة نظر العديد من مصنعي السيارات الكهربائية، الذين يحاولون تقليل التشقق، لأنه يقلل من عمر البطارية.
قال Li Yiyang ، الأستاذ المساعد لعلوم وهندسة المواد في جامعة ميشيجان والمؤلف المقابل للدراسة المنشورة في مجلة Energy & Environmental Science ، العديد من الشركات مهتمة بصنع بطاريات “مليون ميل” باستخدام جزيئات لا تتصدع، فإذا تمت إزالة الشقوق، فلن تتمكن جزيئات البطارية من الشحن بسرعة بدون مساحة السطح الإضافية من تلك الشقوق، مضيفا ”في رحلة برية، لا نريد الانتظار خمس ساعات لشحن السيارة، نريد الشحن في غضون 15 أو 30 دقيقة .”
يعتقد الفريق، أن النتائج تنطبق على أكثر من نصف جميع بطاريات السيارات الكهربائية، حيث يتكون القطب الموجب – أو الكاثود – من تريليونات من الجسيمات المجهرية المصنوعة، إما من أكسيد الكوبالت والنيكل الليثيوم والنيكل وأكسيد الكوبالت.
من الناحية النظرية، تنخفض السرعة التي يتم بها شحن الكاثود إلى نسبة السطح إلى الحجم للجسيمات، يجب أن تشحن الجسيمات الأصغر بشكل أسرع من الجسيمات الأكبر لأن مساحة سطحها أعلى بالنسبة للحجم، لذلك فإن أيونات الليثيوم لها مسافات أقصر لتنتشر من خلالها.
لكن لا يمكن للطرق التقليدية قياس خصائص الشحن لجزيئات الكاثود الفردية بشكل مباشر، فقط متوسط جميع الجسيمات التي تشكل كاثود البطارية، يعني هذا القيد أن العلاقة المقبولة على نطاق واسع بين سرعة الشحن وحجم جسيم الكاثود كانت مجرد افتراض.
قالJinhong Min ، طالب دكتوراه في علوم وهندسة المواد، ويعمل في مختبر Li ، “يعرف علماء البطاريات، أن التصدع يحدث لكنهم لم يقيسوا كيف يؤثر هذا التشقق على سرعة الشحن.”
كان قياس سرعة شحن جسيمات الكاثود الفردية هو المفتاح لاكتشاف الجانب الإيجابي لتكسير الكاثودات، وهو ما حققه الباحثان، من خلال إدخال الجسيمات في جهاز يستخدمه علماء الأعصاب عادةً لدراسة كيفية نقل خلايا الدماغ الفردية للإشارات الكهربائية.
قال لي: “عندما كنت في كلية الدراسات العليا، أظهر لي زميل يدرس علم الأعصاب هذه المصفوفات التي استخدموها لدراسة الخلايا العصبية الفردية، تساءلت عما إذا كان بإمكاننا استخدامها أيضًا لدراسة جسيمات البطارية، التي تتشابه في حجمها مع الخلايا العصبية”.
كل مجموعة عبارة عن شريحة 2 × 2 سم مصممة خصيصًا مع ما يصل إلى 100 أقطاب كهربائية دقيقة، بعد تشتيت بعض جسيمات الكاثود في وسط الرقاقة، قام مين بنقل جزيئات مفردة على أقطابها الخاصة على المصفوفة باستخدام إبرة أرق 70 مرة من شعرة الإنسان، بمجرد أن تصبح الجسيمات في مكانها، يمكن لـ Min شحن وتفريغ ما يصل إلى أربعة جسيمات فردية في وقت واحد على المصفوفة وقياس 21 جسيمًا في هذه الدراسة الخاصة.
الجسيمات الأكبر تتصرف كمجموعة من الجسيمات الأصغر
كشفت التجربة، أن سرعات شحن جسيمات الكاثود لا تعتمد على حجمها، يعتقد الباحثان، أن التفسير الأكثر ترجيحًا لهذا السلوك غير المتوقع، هو أن الجسيمات الأكبر تتصرف في الواقع كمجموعة من الجسيمات الأصغر عندما تتشقق، الاحتمال الآخر هو أن أيونات الليثيوم تتحرك بسرعة كبيرة في حدود الحبيبات- الفراغات الصغيرة بين البلورات النانوية التي تتكون من جسيم الكاثود.
يعتقد لي ، أن هذا غير مرجح ما لم يخترق إلكتروليت البطارية – الوسط السائل الذي تتحرك فيه أيونات الليثيوم – هذه الحدود، مكونًا شقوقًا .
من المهم مراعاة فوائد المواد المتشققة عند تصميم بطاريات طويلة العمر بجزيئات أحادية البلورة لا تتصدع، لشحنها بسرعة، قد تحتاج هذه الجسيمات إلى أن تكون أصغر من جسيمات الكاثود المتكسرة الحالية.
وقال لي، إن البديل هو صنع كاثودات أحادية البلورة بمواد مختلفة يمكنها تحريك الليثيوم بشكل أسرع، لكن هذه المواد يمكن أن تكون محدودة بتزويد المعادن الضرورية أو تكون ذات كثافة طاقة أقل.
