تصميم نوع جديد من بطاريات الليثيوم قابلة لإعادة الشحن تتميز بخفة وزنها وصغر حجمها وأكثر أمانا

اكتشاف باحثي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يمكن أخيرًا فتح الباب أمام تصميم نوع جديد من بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن والتي تتميز بخفة وزنها وصغر حجمها وأمانها من الإصدارات الحالية ، وقد اتبعت المختبرات في جميع أنحاء العالم ذلك لسنوات.

مفتاح هذه القفزة المحتملة في تكنولوجيا البطاريات هو استبدال السائل المنحل بالكهرباء الموجود بين الأقطاب الموجبة والسالبة بطبقة أخف وأخف وزناً من مادة السيراميك الصلبة ، واستبدال أحد الأقطاب الكهربائية بمعدن ليثيوم صلب.

سيؤدي ذلك إلى تقليل الحجم الكلي والوزن الكلي للبطارية بشكل كبير وإزالة مخاطر السلامة المرتبطة بالإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال. لكن هذا البحث كان محاطًا بمشكلة واحدة كبيرة: التشعبات.

ظهور الخيوط المعدنية

التشعبات، التي يأتي اسمها من اللاتينية للفروع، هي نتوءات من المعدن يمكن أن تتراكم على سطح الليثيوم وتتغلغل في الإلكتروليت الصلب، وفي النهاية تعبر من قطب كهربائي إلى آخر وتقصير خلية البطارية.

لم يتمكن الباحثون من الاتفاق على سبب ظهور هذه الخيوط المعدنية ، ولم يكن هناك تقدم كبير في كيفية منعها ، وبالتالي جعل بطاريات الحالة الصلبة خفيفة الوزن خيارًا عمليًا.

حل مسألة أسباب تكون التشعب

يبدو أن البحث الجديد ، الذي نُشر في مجلة جول في ورقة بحثية أعدها الأستاذ بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ييت-مينج تشيانج، وطالب الدراسات العليا كول فينشر وخمسة آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة براون، يحل مسألة أسباب تكون التشعب، كما يوضح كيف يمكن منع التشعبات من العبور من خلال المنحل بالكهرباء.

يقول شيانج في عمل المجموعة السابق، لقد توصلوا إلى اكتشاف “مفاجئ وغير متوقع”، وهو أن مادة الإلكتروليت الصلبة المستخدمة في بطارية الحالة الصلبة يمكن اختراقها بواسطة الليثيوم ، وهو معدن ناعم جدًا، أثناء العملية، شحن وتفريغ البطارية، حيث تتحرك أيونات الليثيوم بين الجانبين.

ترسيب الليثيوم

يؤدي نقل الأيونات ذهابًا وإيابًا إلى تغيير حجم الأقطاب الكهربائية، يتسبب ذلك حتماً في حدوث ضغوط في الإلكتروليت الصلب ، والذي يجب أن يظل ملامسًا تمامًا لكل من القطبين الكهربيين المحصورين بينهما.

يقول تشيانج: “لإيداع هذا المعدن، يجب أن يكون هناك توسع في الحجم لأنك تضيف كتلة جديدة”، “هناك زيادة في الحجم على جانب الخلية، حيث يتم ترسيب الليثيوم، وإذا كانت هناك عيوب مجهرية، فسيؤدي ذلك إلى الضغط على تلك العيوب التي يمكن أن تسبب التصدع”.

وقد أظهر الفريق الآن أن هذه الضغوط تسبب التشققات التي تسمح بتكوين التشعبات، اتضح أن حل المشكلة هو المزيد من الضغط ، يتم تطبيقه في الاتجاه الصحيح تمامًا وبالقدر المناسب من القوة.

بينما اعتقد بعض الباحثين سابقًا أن التشعبات تكونت من خلال عملية كهروكيميائية بحتة ، وليست ميكانيكية ، فإن تجارب الفريق تظهر أن الضغوط الميكانيكية هي التي تسبب المشكلة.

خلايا رقيقة باستخدام إلكتروليت شفاف

عادة ما تحدث عملية تكوين التغصنات في عمق المواد المعتمة لخلية البطارية ولا يمكن ملاحظتها مباشرة ، لذلك طور فينشر طريقة لصنع خلايا رقيقة باستخدام إلكتروليت شفاف، مما يسمح بمشاهدة العملية برمتها وتسجيلها مباشرة. “يمكنك أن ترى ما يحدث عندما تضغط على النظام ، ويمكنك أن ترى ما إذا كانت التشعبات تتصرف بطريقة تتناسب مع عملية التآكل أو عملية التصدع” ، كما يقول.

أظهر الفريق أنه يمكنهم التعامل مباشرة مع نمو التشعبات ببساطة عن طريق تطبيق الضغط وإطلاقه ، مما يتسبب في التعرج والتعرج في محاذاة مثالية مع اتجاه القوة.

لا يؤدي تطبيق الضغوط الميكانيكية على الإلكتروليت الصلب إلى القضاء على تكوين التشعبات ، ولكنه يتحكم في اتجاه نموها. هذا يعني أنه يمكن توجيههم للبقاء موازيين للقطبين ومنعهم من العبور إلى الجانب الآخر ، وبالتالي جعلهم غير مؤذيين.

استخدم الباحثون الضغط الناجم عن ثني المادة، والتي تشكلت في شعاع بوزن في أحد طرفيه. لكنهم يقولون أنه من الناحية العملية ، يمكن أن يكون هناك العديد من الطرق المختلفة لإنتاج الضغط المطلوب، على سبيل المثال، يمكن تصنيع الإلكتروليت من طبقتين من المواد ذات مقادير مختلفة من التمدد الحراري ، بحيث يكون هناك انحناء متأصل للمادة ، كما هو الحال في بعض منظمات الحرارة.

هناك طريقة أخرى تتمثل في “تخدير” المادة بالذرات التي ستندمج فيها وتشوهها وتتركها في حالة إجهاد دائمة. يوضح تشيانغ أن هذه هي نفس الطريقة المستخدمة لإنتاج الزجاج فائق الصلابة المستخدم في شاشات الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية. وكمية الضغط المطلوبة ليست شديدة: أظهرت التجارب أن ضغوطًا تتراوح من 150 إلى 200 ميغا باسكال كانت كافية لمنع التشعبات من عبور الإلكتروليت.

ويضيف فينشر أن الضغط المطلوب “يتناسب مع الضغوط التي تحدث عادةً في عمليات نمو الأفلام التجارية والعديد من عمليات التصنيع الأخرى”، لذلك لا ينبغي أن يكون من الصعب تنفيذه عمليًا.

بعد إثبات المبادئ الأساسية المتضمنة ، ستكون الخطوة التالية للفريق هي محاولة تطبيقها على إنشاء بطارية نموذج أولي وظيفي، كما يقول تشيانج ، ثم معرفة بالضبط ما هي عمليات التصنيع المطلوبة لإنتاج مثل هذه البطاريات بالكمية. على الرغم من أنهم قدموا طلبًا للحصول على براءة اختراع ، إلا أن الباحثين لا يخططون لتسويق النظام بأنفسهم ،حيث توجد بالفعل شركات تعمل على تطوير بطاريات الحالة الصلبة.

يقول: “أود أن أقول إن هذا هو فهم لأنماط الفشل في بطاريات الحالة الصلبة التي نعتقد أن الصناعة بحاجة إلى أن تكون على دراية بها وتحاول استخدامها في تصميم منتجات أفضل”.