حدد العلماء مشكلة بطاريات الليثيوم المعدنية
كشف باحثو جامعة ستانفورد، أن مشكلة بطاريات الليثيوم المعدنية ذات الإلكتروليتات الصلبة هي الإجهاد الميكانيكي.
تتمتع بطاريات الليثيوم المعدنية الجديدة ذات الإلكتروليتات الصلبة بالعديد من المزايا – فهي تشحن بسرعة وتحزم الكثير من الطاقة وخفيفة الوزن وقابلة للاشتعال، كان تطوير هذه البطاريات بطيئًا بسبب قصر الدائرة غير المبرر والفشل.
الآن، يعتقد الباحثون في جامعة ستانفورد ومختبر المسرع الوطني، أنهم تمكنوا من حل هذا اللغز ، وتحديد المشكلة على أنها إجهاد ميكانيكي، والذي يحدث بشكل خاص أثناء إعادة الشحن القوية.
أوضح المؤلف الكبير ويليام تشويه، الأستاذ المشارك في علوم وهندسة المواد في كلية الهندسة وعلوم الطاقة والهندسة في كلية ستانفورد دوير الجديدة للاستدامة، قال تشويه: “حتى الغبار أو الشوائب الأخرى التي يتم إدخالها في التصنيع يمكن أن تولد ضغطًا كافيًا للتسبب في الفشل”.
إن فشل الإلكتروليتات الصلبة ليس ظاهرة جديدة ، حيث تحاول العديد من النظريات على مر السنين تحديد السبب الدقيق.
جادل البعض بأن التدفق المقصود للإلكترونات هو المسؤول عن الفشل، والبعض يعرف الكيمياء على أنها المشكلة، والبعض الآخر يفترض أن قوى مختلفة تلعب دورًا.
في الدراسة، التنظيم الميكانيكي لاحتمالية اقتحام الليثيوم في الشوارد الصلبة للعقيق، بقيادة المؤلفين الرئيسيين جيف ماكونهي ، شين زو، وتينج كوي، تم شرح كيف تتسبب عيوب المقياس النانوي والضغط الميكانيكي في فشل الإلكتروليتات الصلبة
بسبب هذا البحث، يمكن للعلماء في جميع أنحاء العالم الآن تصميم بطاريات إلكتروليت صلبة قابلة لإعادة الشحن للتغلب على المشكلة. تتمتع بطاريات الليثيوم المعدنية ذات الإلكتروليتات الصلبة المصممة حديثًا بالقدرة على التغلب على الحواجز الرئيسية أمام الاستخدام الواسع النطاق للسيارات الكهربائية.
مشكلة الشوارد الخزفية الصلبة
تستخدم العديد من تقنيات البطاريات إلكتروليتات خزفية صلبة تتيح النقل السريع لأيونات الليثيو ، والأهم أنها مقاومة للحريق، تميل إلكتروليتات السيراميك الصلبة إلى حدوث تشققات صغيرة على سطحها.
أجرى الباحثون أكثر من 60 تجربة كشفت أن السيراميك غالبًا ما يكون مشبعًا بالشقوق النانوية والخدوش والشقوق، التي يقل عرضها عن 20 نانومترًا، أثناء الشحن السريع ، تنفتح هذه الكسور المتأصلة ، مما يسمح بتطفل الليثيوم، في كل تجربة، تم تطبيق مسبار كهربائي على إلكتروليت صلب لإنشاء بطارية مصغرة. استخدم الباحثون بعد ذلك مجهرًا إلكترونيًا لمراقبة الشحن السريع في الوقت الفعلي.
لفهم سبب تجمع الليثيوم على سطح السيراميك في بعض المواقع ، لكنه يتعمق بشكل أعمق حتى يجسر عبر الإلكتروليت الصلب – مما يتسبب في حدوث دائرة كهربائية قصيرة – في مواقع أخرى، استخدم الفريق شعاع أيوني كمشرط.
وجد الفريق أن الفرق هو الضغط – عندما يلامس المسبار سطح المنحل بالكهرباء، يتجمع الليثيوم أعلى المنحل بالكهرباء، حتى عندما يتم شحن بطارية الليثيوم المعدنية في أقل من دقيقة واحدة، عندما يضغط المسبار على الإلكتروليت الخزفي، محاكياً الضغوط الميكانيكية ، فمن المرجح أن تكون دوائر البطارية قصيرة.
تحسين بطاريات الليثيوم المعدنية أثناء التصنيع
يهدف الفريق إلى تحسين بطاريات الليثيوم المعدنية أثناء التصنيع، تُصنع بطاريات الليثيوم المعدنية الصلبة من طبقات فوق طبقات من صفائح الأنود المهبطي-المنحل بالكهرباء مكدسة فوق بعضها البعض. يجب أن يفصل المنحل بالكهرباء الكاثود عن الأنود بينما يسمح لأيونات الليثيوم بالانتقال بين الاثنين.
إذا كان الكاثود والأنود يتلامسان أو متصلان كهربائيًا ، تحدث دائرة كهربائية قصيرة.
أظهر الفريق أنه حتى الانحناء الخفيف، أو الالتواء الطفيف، أو وجود بقعة من الغبار بين المنحل بالكهرباء وأنود الليثيوم سوف يتسبب في حدوث شقوق غير محسوسة.
قال ماكونهي: “إذا أتيحت الفرصة للحفر في الإلكتروليت، فإن الليثيوم سيشق طريقه في النهاية، ليربط الكاثود والأنود”. “عندما يحدث ذلك ، تفشل البطارية.”
أظهر الباحثون الفهم الجديد مرارًا وتكرارًا وسجلوا مقطع فيديو للعملية باستخدام مجاهر المسح الإلكتروني، ال شو، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر تشويه: “الليثيوم هو في الواقع مادة ناعمة، ولكن كل ما يتطلبه الأمر هو الضغط لتوسيع الفجوة والتسبب في فشل”.
يبحث الفريق عن طرق لاستخدام هذه القوى الميكانيكية نفسها لتقوية المادة أثناء التصنيع، يبحثون أيضًا عن طرق لتغطية سطح المنحل بالكهرباء لمنع التشققات أو إصلاحها في حالة ظهورها.
اختتم كوي، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر جو”تبدأ كل هذه التحسينات بسؤال واحد: لماذا؟” “نحن المهندسين، أهم شيء يمكننا القيام به هو معرفة سبب حدوث شيء ما، بمجرد أن نعرف ذلك، يمكننا تحسين الأمور “.
