المحتوى
تعد بطاريات Lithium-ion (Li-ion) الخلية المفضلة القابلة لإعادة الشحن للهواتف الذكية ومعظم الأدوات الذكية الأخرى التي تعمل بالبطاريات اليوم. على الرغم من انتشارها ، إلا أن بطاريات Li-ion محدودة بكثافة الطاقة ، ولها عمر افتراضي قصير ، ويمكن أن تصبح خطرًا على الحريق في حالة تلفها أو شحنها بشكل غير صحيح. قد تكون هذه العيوب شيئًا من الماضي في المستقبل غير البعيد إذا انتقلت الأدوات الذكية إلى تقنيات بطاريات الحالة الصلبة.
كشف بحث جديد قام به فريق هندسة جامعة كولومبيا ، عبر phys.org ، عن طريقة لتثبيت الشوارد الصلبة في معدن الليثيوم ، مثل بطاريات الحالة الصلبة. يمكن أن يؤدي استخدام طلاء نانو نيتريد البورون إلى إنتاج بطاريات توفر طاقة شحن تصل إلى 10 أضعاف لبطاريات Li-ion المستندة إلى الجرافيت. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الشوارد الخزفية التي تستخدم غالبًا في تصميم بطارية الحالة الصلبة غير قابلة للاشتعال ، مما يقلل من مخاوف السلامة.
تقنية البطارية ذات الحالة الصلبة ليست فكرة جديدة ، ولكن مواد البناء ، وسلامة التصميم ، والتكاليف ، وتقنيات الإنتاج تعرقل التبني. لفهم السبب في أننا نستكشف خلفية صغيرة حول بطاريات ليثيوم أيون التقليدية ولماذا ليس من السهل استبدالها.
مشكلة مع Dendrites
إلى جانب التكاليف ، تعتبر التشعبات أكبر مشكلة في بطاريات الحالة الصلبة. Dendrite عبارة عن تراكم يشبه الكريستالات من معدن الليثيوم يبدأ عادةً من القطب الموجب ويمكن أن ينمو في جميع أنحاء البطارية. يحدث هذا نتيجة لشحن وتفريغ تيار عالي ، حيث تتحد الأيونات في المنحل بالكهرباء الصلب مع الإلكترونات لتشكيل طبقة من معدن الليثيوم الصلب.
يقلل Dendrite المدمج من سعة المنحل بالكهرباء المتاحة ، مما يقلل من شحنه. والأسوأ من ذلك ، أن تراكم dendrite الكبير سوف يخترق في نهاية الأمر فاصل كاثود / أنود البطارية ، مما يتسبب في حدوث دائرة كهربائية قصيرة تدمر البطارية ويمكن أن تسبب حريقًا.
يمكن أن يؤدي النمو المفرط للندرة في معدن الليثيوم إلى قصر دائرة البطارية.
تعمل بطاريات Li-ion الحالية على تجنب مشكلة التغصنات عن طريق استخدام الشوارد السائلة للمسارات الموصلة ، بدلاً من المعدن الصلب الذي يسمح بتعبئة الأيونات مع بعضها البعض من أجل سعة أكبر. لسوء الحظ ، هذا السائل قابل للاشتعال ، مما قد يتسبب في احتراق بطاريات Li-ion تحت ضغط عالي أو حرارة أو تيار. غالبًا ما يستخدم الجرافيت في مادة أنود الليثيوم المقربة ، مما يوفر ثباتًا طويل الأجل في بعض المصاريف إلى الحد الأقصى لتدفق الشحنة. شهدت سبائك الجرافين وسبائك السيليكون حصتها من التجارب لتحسين الأداء.
المواد الكيماوية والمواد والبطاريات المركبة في بطارية ليثيوم أيون تحد من تكوين التشعبات عن طريق الحد من تدفق الأيونات والتحكم فيها بشكل أساسي. المفاضلة هي فقدان كثافة البطارية والقدرة ، وزيادة القابلية للاشتعال والحاجة إلى حماية السلامة. تعتبر بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة الكأس المقدسة لأداء البطارية القابلة لإعادة الشحن ولكنها أكثر صعوبة بكثير من استقرار خلايا Li-ion السائلة.
كيف بحث جديد هو حل المشكلة
تقدم الأبحاث التي أجراها فريق الهندسة بجامعة كولومبيا ، والتي أجريت مع زملاء في مختبر بروكهافن الوطني وجامعة مدينة نيويورك ، حلاً لمشكلة التشعبات في بطاريات الحالة الصلبة.
فيلم نانويد نيتريد البورون (BN) من 5 إلى 10 نانومتر يعزل معدن الليثيوم والموصل الأيوني. يمنع عزل الطبقتين من تراكم dendrite أو ماس كهربائى ، لكنه رقيق بما يكفي لزيادة كثافة طاقة البطارية. تستخدم التقنية أيضًا كمية صغيرة من الإلكتروليت السائل ، لكن التصميم يستخدم في الغالب تصميم خزفي من الحالة الصلبة لأقصى طاقة استيعابية. تم تصميم طبقة BN هذه بعيوب مدمجة ، مما يسمح لأيونات الليثيوم بالمرور لشحن البطارية وتفريغها.
لقد طورنا سترة واقية من الليثيوم للمعادن بالكهرباء الصلبة غير المستقرة ، وبهذا الابتكار ، حققت بطاريات الليثيوم المعدنية الطويلة العمر.
تشيان تشنغ ، عالم أبحاث ما بعد الدكتوراه في جامعة كولومبياباختصار ، أنشأ الفريق حاجزًا رفيعًا جدًا يمنع حدوث التشعبات. يتيح هذا بدوره استخدام الشوارد الخزفية المدمجة للغاية ، والتي توفر سعة أكبر من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية ، وتقلل من مخاطر خطر الحريق ، وتطيل عمر البطارية. ستبحث المرحلة التالية من البحث في مجموعة أوسع من الشوارد الصلبة غير المستقرة وتعزز عمليات التصنيع.
السائل مقابل تكنولوجيا البطارية الحالة الصلبة
فريق هندسة جامعة كولومبيا ليس هو اللعبة الوحيدة في المدينة لتكنولوجيا البطاريات ذات الحالة الصلبة. وتخضع التصميمات القائمة على مواد LIPON و LGPS و LLZO أيضًا للبحث في محاولة لاستبدال بطاريات Li-ion الحالية. تهدف معظمها إلى تحقيق أهداف مماثلة ، بما في ذلك زيادة سعة البطارية ، وعمر أطول ، ومخاطر أقل من الحريق. العقبة الرئيسية التالية هي إخراج تصميمات البطاريات من المختبر إلى منشآت ومنتجات التصنيع.
من وجهة نظر المستهلك ، تتمثل الفوائد الرئيسية لتكنولوجيا البطاريات المستقرة في الحالة الصلبة في: شحن أسرع بمعدل يصل إلى ستة أضعاف ، وكثافة إلى ضعفين إلى عشرة أضعاف ، وطول عمر دورة يصل إلى 10 سنوات (مقارنة بسنتين) ، المكونات القابلة للاشتعال. إنه بالتأكيد نعمة للهواتف الذكية والأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. كلما كان ذلك أسرع هنا ، كان ذلك أفضل.
