قام باحثون من جامعة ميريلاند يدرسون كيفية فشل بطاريات الليثيوم بتطوير تقنية جديدة يمكن أن تمكن الجيل التالي من السيارات الكهربائية (EVs) وغيرها من الأجهزة الأقل عرضة لحرائق البطاريات مع زيادة تخزين الطاقة.

تعمل الطريقة المبتكرة الموصوفة في ورقة بحثية منشورة في مجلة نيتشر (Nature) على كبح نمو تشعبات الليثيوم – وهي هياكل تشبه الفروع التي تتطور داخل بطاريات الليثيوم “ذات الحالة الصلبة” الموصوفة، مما يمنع الشركات من تسويق تكنولوجيا الحالة الصلبة الواعدة على نطاق واسع .

لكن هذا التصميم الجديد لـ “الطبقة البينية” للبطارية، بقيادة البروفيسور تشونشينغ وانغ من قسم الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية، يوقف تكوين التشعبات، ويمكن أن يفتح الباب أمام إنتاج بطاريات الحالة الصلبة بالكامل للمركبات الكهربائية.

تعمل ما لا يقل عن 750 ألف سيارة كهربائية مسجلة في الولايات المتحدة على بطاريات الليثيوم أيون – وهي شائعة بسبب تخزينها العالي للطاقة ولكنها تحتوي على مكون إلكتروليت سائل قابل للاشتعال يحترق عند ارتفاع درجة حرارته.

في حين أنه لا توجد وكالة حكومية تتعقب حرائق المركبات حسب نوع السيارة، ويبدو أن حرائق بطاريات السيارات الكهربائية نادرة نسبيًا، إلا أنها تشكل مخاطر خاصة؛ أفاد المجلس الوطني لسلامة النقل أن المستجيبين الأوائل معرضون لمخاطر السلامة، بما في ذلك الصدمات الكهربائية والتعرض للغازات السامة المنبعثة من البطاريات التالفة أو المحترقة.

وأشار وانغ إلى أن بطاريات الحالة الصلبة بالكامل يمكن أن تؤدي إلى سيارات أكثر أمانًا من نماذج الاحتراق الداخلي أو الكهربائية الحالية، لكن إنشاء استراتيجية لتجاوز العيوب كان أمرًا شاقًا.

عندما يتم تشغيل هذه البطاريات بالسعات العالية ومعدلات الشحن والتفريغ التي تتطلبها السيارات الكهربائية، تنمو تشعبات الليثيوم باتجاه جانب الكاثود، مما يتسبب في حدوث دوائر قصيرة وتدهور في السعة.

بدأ وانغ ومساعد ما بعد الدكتوراه هونغلي وان في تطوير نظرية لتشكيل نمو تشعبات الليثيوم في عام 2021؛ وقال الباحثون إن الأمر لا يزال موضع نقاش علمي.

وقال وانغ: “بعد أن اكتشفنا هذا الجزء، اقترحنا فكرة إعادة تصميم الطبقات البينية التي من شأنها أن تمنع بشكل فعال نمو تشعبات الليثيوم”.

إن حلهم فريد من نوعه بسبب استقرار واجهات البطارية بين المنحل بالكهرباء الصلب والأنود (حيث تدخل الإلكترونات من الدائرة إلى البطارية) والإلكتروليت والكاثود (حيث تتدفق الطاقة خارج البطارية). يضيف هيكل البطارية الجديد طبقة داخلية غنية بالفلور تعمل على استقرار جانب الكاثود، بالإضافة إلى تعديل الطبقة البينية للأنود باستخدام المغنيسيوم والبزموت – مما يؤدي إلى قمع تغصنات الليثيوم.

“إن بطاريات الحالة الصلبة هي الجيل التالي لأنها يمكن أن تحقق طاقة عالية وأمانًا. قال وانغ: “في البطاريات الحالية، إذا حققت طاقة عالية، فسوف تضحي بالسلامة”.

ولتسويق بطاريات الحالة الصلبة بالكامل، سيتعين على الخبراء تقليص طبقة الإلكتروليت الصلبة لتحقيق سمك مماثل للإلكتروليت في بطاريات الليثيوم أيون، وهو ما من شأنه أن يحسن كثافة الطاقة – أو مقدار الطاقة التي يمكن للبطارية تخزينها.

وقال الفريق إن ارتفاع تكاليف المواد الأساسية يمثل تحديًا آخر.

وبهدف طرح البطاريات الجديدة في السوق بحلول عام 2026، تخطط شركة تصنيع البطاريات المتقدمة سوليد باور (Solid Power) لبدء تجارب التكنولوجيا الجديدة لتقييم إمكانية تسويقها تجاريًا. وقال الباحثون إن البحث المستمر يهدف إلى زيادة كثافة الطاقة.

***

يمكن أن تكون حالة الليثيوم الصلبة هي الخطوة التالية في تحسين البطارية. هذا البحث يدخل بالفعل في مرحلة اختبار النموذج الأولي، وهي علامة مميزة قيد التقدم. قد تكون هناك تقنية لبطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة قريبًا. على الأرجح في الهواتف المحمولة أو الأجهزة الشخصية الأخرى. وهذا من شأنه أن يشكل أرضية جيدة لإثبات السوق الشامل.

التطور التالي يمكن أن يكون بطارية من معدن الليثيوم الصلب. قد يتسارع التقدم أو يتباطأ حيث يمكن أن ينكمش السوق بسبب مشكلات توليد الطاقة ومسائل سعة الشبكة التي أدرك المستهلكون أنها مشاكل خطيرة في سوق السيارات الكهربائية.

ولكن لم تنخفض مبيعات الأجهزة الشخصية بأي حال من الأحوال. وهناك الكثير من الأفكار حول المنتجات الجديدة التي يمكن إطلاقها مع زيادة في سعة الطاقة والسلامة. قد تواجه السيارات الكهربائية مشاكل في ظروف السوق ولكن الطلب على البطاريات سينمو على أي حال.

اقرأ أيضًا الذهب يتراجع ​​بعد ارتفاعه.. ولكن هذا ليس كل شيء

المصدر: أويل برايس