علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Fundamental mechanics help increase battery storage capacity and lifespan
(Avni Shah – بقلم: أڤني شاه)
ملخص المقالة:
تنخفض وظائف البطاريات التي تستخدم على نطاق واسع في التطبيقات اليومية بمرور الوقت، ونحتاج إلى استبدالها. والعامل الرئيسي في تقليل عمر البطارية هو تدهور السلامة الهيكلية للبطارية، ولتثبيطه يأمل باحثو كلية ڤيتيربي للهندسة بجامعة جنوب كاليفورنيا إدخال “التمدد” في مواد البطاريات بحيث يمكن تدويرها بشكل متكرر دون إجهاد هيكلي. وينظم هذا التغيير تحول طور الجهود الكهربائية، مما يجعل الأقطاب الكهربائية أكثر مقاومة للكسر أو عدم البلورة.
( المقالة )
تُستخدم البطاريات على نطاق واسع في التطبيقات اليومية مثل تشغيل السيارات الكهربائية والأدوات الإلكترونية وهي مرشحة واعدة لتخزين الطاقة المستدامة. ومع ذلك، كما لاحظتَ على الأرجح مع الشحن اليومي للبطاريات، فإن وظائفها تنخفض بمرور الوقت. وفي النهاية، نحتاج إلى استبدال هذه البطاريات، وهي ليست باهظة الثمن فحسب، بل تستنفد أيضًا العناصر الأرضية النادرة المستخدمة في صنعها.
والعامل الرئيسي في تقليل عمر البطارية هو تدهور السلامة الهيكلية للبطارية. ولتثبيط التدهور الهيكلي، يأمل فريق من الباحثين من كلية ڤيتيربي للهندسة بجامعة جنوب كاليفورنيا إدخال “التمدد” في مواد البطاريات بحيث يمكن تدويرها بشكل متكرر دون إجهاد هيكلي. وقاد هذا البحث أنانيا رينوكا-بالاكريشنا و وي سي غابيلان الأستاذ المساعد في الفضاء والهندسة الميكانيكية، و ديلين زهانغ مرشح الدكتوراه في كلية ڤيتيربي للهندسة، وكذلك الباحثون في جامعة براون من مجموعة البروفيسور براين شيلدون. وقد نُشر عملهم في مجلة ميكانيكا وفيزياء المواد الصلبة (Journal of Mechanics and Physics of Solids).
وقال زهانغ إن البطارية النموذجية تعمل من خلال دورة متكررة لإدخال واستخراج أيونات الليثيوم من الأقطاب الكهربائية. وهذا الإدراج والاستخراج يوسع ويضغط مشابك القطب. وهذه التحولات الحجمية تخلق شقوق صغيرة وكسور وعيوب مع مرور الوقت.
وتابع زهانغ: “هذه التشققات الدقيقة والكسور في مادة البطارية ستؤدي إلى تدهور هيكلي، مما سيقلل في النهاية من سعة البطارية. في النهاية، يجب استبدال البطارية بأخرى جديدة”.
ولتثبيط هذا، قام زهانغ، الذي يدرس مواد الإقحام – فئة من المواد المستخدمة كأقطاب كهربائية في بطاريات الليثيوم أيون – بتمديد أقطاب الإقحام هذه في وقت مبكر. وينظم هذا التغيير – في حالة الإجهاد الأولية – تحول طور الجهود الكهربائية، مما يجعل الأقطاب الكهربائية أكثر مقاومة للكسر أو عدم البلورة (فقد خصائصها البلورية).
جهد كهربائي أوسع، قدرة أكبر
تنجم تحولات الطور، عندما تتغير مواد البطارية من الشكل المادي، عن دورة التمدد والضغط التي تصاحب الشحن والاستخدام اليومي. وقال تشانغ: “هذه التحولات الطورية يمكن أن تجعل الأقطاب أكثر عرضة للتدهور الهيكلي، خاصة عندما تتكرر العملية بشكل متكرر”.
وتعد إمكانية عكس الأطوار أمرًا أساسيًا في السماح للبطاريات بالحفاظ على وظائف فعالة بمرور الوقت. وقالت رينوكا بالاكريشنا: “يتم تحسين الانعكاس بشكل أكبر من خلال التأكد من بقاء المادة في شكلها البلوري. وعند الجهود الكهربائية المعينة، في وقت تنتقل المواد من طور إلى آخر، يمكن أن تصبح المواد ناعمة، وهو أمر غير مثالي للتشغيل الفعال للبطارية”.
؛؛ ولذلك سأل الباحثون أنفسهم: “هل هناك طريقة للحفاظ على مواد البطاريات في شكلها البلوري أثناء تدويرها ذهابًا وإيابًا بين مناطق الطاقة الطبيعية؟” الجواب: تغيير هيكل المواد بإدخال حالة إجهاد أولية ؛؛.
وقال زهانغ: “من خلال مد الأقطاب الكهربائية قبل الشحن والتفريغ، فإننا نغير مجال الطاقة الذي ينتقل عبره الأقطاب الكهربائية من حالة الشحن إلى حالة التفريغ. وتسمح لنا هذه السلالة الأولية بتقليل حاجز الطاقة لهذه التحولات وتمنع تشوهات الشبكة الضارة التي تؤدي إلى فشل المواد. يساعد هذا التغيير في مشهد الطاقة على منع التشققات الدقيقة والكسور، حاميةً استدامة البطارية وسعة تخزين الطاقة”.
وقالت رينواكا-بالاكريشنا إن هناك فائدة إضافية تتمثل في أنه من خلال مد الأقطاب الكهربائية، يمكن للبطارية أن تعمل أيضًا في نافذة جهد أكبر، مما يجعلها أكثر كفاءة في قدرتها على تخزين الطاقة.
تحديات تخزين الطاقة الحديثة
قالت رينواكا-بالاكريشنا إن أحد الاهتمامات الرئيسية لمجتمع تخزين الطاقة هو الابتعاد عن السوائل القابلة للاشتعال التي تستخدم عادة في البطاريات ووضعها في مواد صلبة. وأضافت: “هذا يطرح تحديات جديدة”.
ويمكن أن تتدهور الأشياء الصلبة، كما نعلم جميعًا، بمرور الوقت عندما يتم الضغط عليها بشكل متكرر. وبمجرد ظهور شق، سيفقد جانبي السطح الاتصال. وأضافت رينواكا-بالاكريشنا: “في حالة البطارية، فإنها تخلق مشكلة ميكانيكية بسيطة؛ بدون الاتصال، من الصعب نقل الأيونات عبر المادة”.
وتعتبر الأساليب مثل تلك التي حددها زهانغ محاولة للمضي قدمًا نحو بطاريات أكثر أمانًا واستدامة أثناء مواجهة هذا التحدي الميكانيكي. وقال الباحثون إن حداثة هذا النهج هي أنه بدلاً من العثور على مادة جديدة لتحسين عمر البطارية، يمكنك تحسين عمر مادة موجودة من خلال إدخال مفاهيم ميكانيكية أساسية لتحسين عمرها.
وقالت رينوكا بالاكريشنا: “لم تكن الميكانيكا دائمًا جزءًا لا يتجزأ من تطوير البطاريات. ولكن الآن يمكن للمهندسين اللعب بهذه النظرية / الأداة التي ابتكرها زهانغ والعمل على هندسة عمر مواد البطاريات”.
وقال زهانغ إن تحسين عمر البطاريات سيفيد مستخدمي الأجهزة الإلكترونية والمركبات الكهربائية، مما يتيح استخدامًا أطول للأجهزة ويقلل من استبدال البطارية. ونظرًا لتكلفة بطارية الليثيوم أيون، يمكن أن توفر أيضًا الكثير من المال للمستخدمين بمرور الوقت.
وأكثر من ذلك، قال تشانغ إن تخزين الطاقة المستدامة هو جزء مهم من تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري الضارة وتقليل نفايات البطاريات، ونأمل من خلال عملنا أن نفتح خطًا جديدًا من الأبحاث لتعزيز إمكانية عكس المواد.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-08-fundamental-mechanics-battery-storage-capacity.html
لمزيد من المعلومات: ديلين زهانغ وآخرون، Film strains enhance the reversible cycling of intercalation electrodes, Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2021). DOI: 10.1016/j.jmps.2021.104551
