إستراتيجية جديدة لصنع بطاريات صلبة سريعة الشحن – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Novel strategy to make fast-charging solid-state batteries
(Indian Institute of Science – بواسطة: المعهد الهندي للعلوم)

ملخص المقالة:

اكتشف الباحثون في المعهد الهندي للعلوم والمتعاونون معهم كيف تفشل بطاريات الحالة الصلبة من الجيل التالي وابتكروا استراتيجية جديدة لجعل هذه البطاريات تدوم لفترة أطول ويتم شحنها بشكل أسرع. وحددوا أن السبب الجذري في فشل البطاريات هو تكوين التشعبات (فراغات مجهرية في أحد الأقطاب الكهربائية في وقت مبكر) وأظهروا أن إضافة طبقة رقيقة من معادن معينة إلى سطح الإلكتروليت يؤخر بشكل كبير تكوين هذه التشعبات، مما يطيل عمر البطارية ويسمح بشحنها بشكل أسرع. ويقول الباحثون إن النتائج هي خطوة حاسمة إلى الأمام في تحقيق بطاريات الحالة الصلبة العملية والتجارية.

( المقالة )

في اختراق علمي، اكتشف الباحثون في المعهد الهندي للعلوم (IISc) والمتعاونون معهم كيف تفشل بطاريات الحالة الصلبة من الجيل التالي وابتكروا استراتيجية جديدة لجعل هذه البطاريات تدوم لفترة أطول ويتم شحنها بشكل أسرع.

وتستعد بطاريات الحالة الصلبة لتحل محل بطاريات الليثيوم-أيون الموجودة في كل جهاز إلكتروني محمول تقريبًا. ولكن عند الاستخدام المتكرر أو المفرط، فإنها تطور خيوط رفيعة تسمى “التشعبات” والتي يمكن أن تسبب قصور البطاريات وتجعلها عديمة الفائدة.

وفي دراسة جديدة نُشرت في مجلة “مواد الطبيعة” (Nature Materials)، حدد الباحثون السبب الجذري لتكوين التشعبات – ظهور فراغات مجهرية في أحد الأقطاب الكهربائية في وقت مبكر. كما أظهروا أن إضافة طبقة رقيقة من معادن معينة إلى سطح الإلكتروليت يؤخر بشكل كبير تكوين التشعبات، مما يطيل عمر البطارية ويسمح بشحنها بشكل أسرع.

وتحتوي بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية – من النوع الذي قد تجده في هاتفك الذكي أو الكمبيوتر المحمول – على سائل إلكتروليت محصور بين قطب كهربائي موجب الشحنة (كاثود) مصنوع من أكسيد معدن انتقالي (مثل الحديد والكوبالت) وقطب كهربائي سالب الشحنة ( الأنود) مصنوع من الجرافيت.

وعندما يتم شحن البطارية وتفريغها (باستخدام الطاقة)، تنتقل أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود في اتجاهين متعاكسين. وهذه البطاريات لديها مشكلة كبيرة تتعلق بالسلامة – يمكن أن تشتعل النيران في السائل المنحل بالكهرباء في درجات حرارة عالية. ويخزن الجرافيت أيضًا شحنة أقل بكثير من الليثيوم المعدني.

لذلك، فإن البديل الواعد هو بطاريات الحالة الصلبة التي تحوّل السائل إلى إلكتروليت خزفي صلب وتستبدل الجرافيت بالليثيوم المعدني. وتعمل الإلكتروليتات الخزفية بشكل أفضل في درجات الحرارة المرتفعة، وهو أمر مفيد بشكل خاص في البلدان الاستوائية مثل الهند. كما أن الليثيوم أخف وزنًا ويخزن شحنة أكبر من الجرافيت، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة البطارية.

“لسوء الحظ ، عندما تضيف الليثيوم، فإنه يشكل هذه الخيوط التي تنمو في الإلكتروليت الصلب، وتختصر الأنود والكاثود”، كما يوضح البروفيسور ناغا فاني ايتوكوري، الأستاذ المساعد في وحدة الكيمياء الهيكلية والحالة الصلبة والمؤلف المقابل للدراسة.

وللتحقيق في هذه الظاهرة، قام فيكالب راج، طالب الدكتوراه لدى البروفيسور ايتوكوري، بتشكيل التشعبات المصطنع عن طريق الشحن المتكرر لمئات من خلايا البطارية، وتقطيع أقسام رقيقة من واجهة الكترولايت الليثيوم، والنظر إليها تحت المجهر الإلكتروني الماسح.

وعندما نظروا عن كثب إلى هذه الأقسام، أدرك الفريق أن شيئًا ما كان يحدث قبل فترة طويلة من تشكل التشعبات – كانت الفراغات المجهرية تتطور في أنود الليثيوم أثناء التفريغ. وحسب الفريق أيضًا أن التيارات المركزة عند حواف هذه الفراغات المجهرية كانت أكبر بحوالي 10000 مرة من متوسط ​​التيارات عبر خلية البطارية، والتي من المحتمل أن تخلق ضغطًا على المنحل بالكهرباء الصلبة وتسريع تكوين التشعبات.

ويقول البروفيسور أيتوكوري: “هذا يعني أن مهمتنا الآن لصنع بطاريات جيدة جدًا هي مهمة بسيطة للغاية”. ويضيف: “كل ما نحتاجه هو التأكد من عدم تشكل الفراغات”.

ولضمان ذلك، أدخل الباحثون طبقة رقيقة للغاية من معدن مقاوم للصهر – معدن مقاوم للحرارة والتآكل – بين أنود الليثيوم والإلكتروليت الصلب. ويقول البروفيسور ايتوكوري: “الطبقة المعدنية المقاومة للصهر تحمي الإلكتروليت الصلب من الإجهاد وتعيد توزيع التيار إلى حد ما”. وتعاون هو وفريقه مع باحثين في جامعة كارنيجي ميلون في الولايات المتحدة، الذين أجروا تحليلًا حسابيًا أظهر بوضوح أن الطبقة المعدنية المقاومة للحرارة قد أخرت بالفعل نمو فراغات الليثيوم المجهرية.

ويمكن أن يؤدي تطبيق الضغط الشديد الذي يمكن أن يدفع الليثيوم ضد الإلكتروليت الصلب إلى منع الفراغات وتأخير تكوين التشعبات، ولكن قد لا يكون ذلك عمليًا للتطبيقات اليومية. واقترح باحثون آخرون أيضًا فكرة استخدام معادن مثل سبائك الألومنيوم أو مزجها جيدًا مع الليثيوم في الواجهة. ولكن بمرور الوقت، تمتزج هذه الطبقة المعدنية مع الليثيوم، وتصبح غير قابلة للتمييز، ولا تمنع تكون التشعبات. ويوضح راج: “ما نقوله مختلف”. ويتابع: “إذا كنت تستخدم معدنًا مثل التنجستن أو الموليبدينوم الذي لا يمتزج مع الليثيوم، فإن الأداء الذي تحصل عليه من الخلية يكون أفضل”.

ويقول الباحثون إن النتائج هي خطوة حاسمة إلى الأمام في تحقيق بطاريات الحالة الصلبة العملية والتجارية. ويمكن أيضًا توسيع إستراتيجيتهم لتشمل أنواعًا أخرى من البطاريات التي تحتوي على معادن مثل الصوديوم والزنك والمغنيسيوم.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://techxplore.com/news/2022-06-strategy-fast-charging-solid-state-batteries.html

لمزيد من المعلومات: ناغا ايتوكوري، Direct correlation between void formation and lithium dendrite growth in solid-state slectrolytes with interlayers, Nature Materials (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01264-8. www.nature.com/articles/s41563-022-01264-8