البطاريات

Aenert. Research Laboratory news
في الوقت الحاضر، يشارك العديد من اللاعبين الرئيسيين وكذلك الشركات الناشئة بنشاط في صناعة السيارات الكهربائية ويتسابقون لتطوير بطاريات أكثر أمانًا وكفاءة. أحد أنواع البطاريات التي حظيت باهتمام متزايد مؤخرًا هي بطاريات الحالة الصلبة. بخلاف بطاريات الليثيوم أيون، فإنها تستخدم إلكتروليتًا صلبًا، مما يسمح بترك مكون فاصل يستخدم للحفاظ على القطب الموجب والقطب السالب منفصلين.
تعتبر بطاريات الحالة الصلبة بديلاً أكثر أمانًا لبطاريات الليثيوم أيون لأنها لا تحتاج إلى إلكتروليت سائل قابل للاشتعال مطلوب في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. هذا يقلل بشكل كبير من خطر الحريق. علاوة على ذلك، فهي أخف وزنًا من البطاريات التقليدية، ولها وقت شحن أقصر ومن المتوقع أن تسمح للمركبات الكهربائية بالعمل لمسافات أطول. ومع ذلك، في حين أثبتت بطاريات الحالة الصلبة أنها مرشح واعد من حيث الأداء، إلا أن عمرها الافتراضي قد يكون أقصر من البطاريات التقليدية، حيث يمكن أن تتشكل في النهاية شقوق وتحتاج إلى الاستبدال.

ولمعالجة هذه المشكلة، أطلق العلماء في مختبر أرجون الوطني الآن ( 2023 ) دراسة تركز على مجموعة من الإلكتروليتات تسمى أرجيروديس، وهي فئة من الإلكتروليتات ذات الحالة الصلبة التي تحتوي على الكبريت. يتمتع Argyrodites بالعديد من المزايا مقارنة بالشوارد الصلبة الأخرى. وهي تتمتع بموصلية أيونية أعلى ويمكنها نقل الأيونات بسرعة عبر البطارية. وهذا بدوره يمكن أن يتيح معدل شحن أسرع للسيارات الكهربائية. كما أن معالجة الأرجيروديت أسهل وأرخص في الكريات المستخدمة في البطاريات.

ومع ذلك، من الصعب تصنيع الأرجيروديت. فهي شديدة التفاعل مع الهواء، وبالتالي قد يكون من الصعب التعامل معها في مصنع لإنتاج البطاريات. كما أنها تتفاعل بسهولة مع مواد القطب الكهربائي الأخرى مثل الليثيوم. عندما تحدث هذه التفاعلات، فإنها تنتج مواد كيميائية تقلل من جودة واجهات الإلكتروليت/الإلكترود. يمكن أن تمنع التفاعلات أيضًا حركة أيونات الليثيوم، وتقلل من أداء البطارية وتسبب التشعبات، وهي هياكل الليثيوم التي تشبه الإبرة والتي تقلل من سلامة البطارية ومدتها.

ولذلك، أراد الباحثون تطوير طريقة جديدة تمكنهم من تصميم كيمياء سطح الأرجيروديت بدقة. لقد اختاروا عملية ترسيب الطبقة الذرية المستخدمة عادة في صناعة إنتاج الرقائق وقاموا بتكييفها لتناسب أغراضهم. تستخدم طريقة الطلاء هذه أبخرة كيميائية تتفاعل مع سطح مادة صلبة لتكوين طبقة رقيقة.

من خلال ترسيب الطبقة الذرية، تم طلاء إلكتروليت الأرجيروديت في شكل مسحوق. تم تسخين المسحوق وتعريضه لبخار الماء وثلاثي ميثيل الألومنيوم، مما ينتج عنه طبقة رقيقة من الألومينا (أكسيد الألومنيوم) على جميع جزيئات الإلكتروليت الفردية. أيضًا، تم استخدام تقنية توصيف تسمى التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية للتأكد من أن الطلاء لم يعطل التركيب الكيميائي للأرجيرودت الأساسي. يتضمن ذلك تصوير المادة باستخدام أشعة سينكروترونية وقياس انتقال وامتصاص الأشعة السينية في المادة.

علاوة على ذلك، استخدم الباحثون تقنيتين لتحديد ما إذا كانت الطلاءات تتكيف جيدًا مع محيط جزيئات الإلكتروليت الفردية. التقنية الأولى، والتي تسمى المسح المجهري الإلكتروني النافذ، أنشأت صورًا لبنية المادة باستخدام شعاع إلكتروني مركّز.

التقنية الثانية، المعروفة باسم التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة من الطاقة، تقوم بتقييم العناصر الموجودة في المادة عن طريق الكشف عن الأشعة السينية المنبعثة من الإلكترونات المستخدمة في تقنية الفحص المجهري الإلكتروني الماسح. ووجد الباحثون أيضًا أن الطلاءات قللت بشكل كبير من تفاعل المسحوق مع الهواء.

في الخطوة التالية، قام الباحثون بضغط المساحيق المطلية على شكل كريات، ثم قاموا بتركيب الكريات في خلية بطارية على نطاق المختبر مع أنود (قطب كهربائي سلبي) مصنوع من معدن الليثيوم. لقد قاموا بشحن وتفريغ هذه البطارية بشكل متكرر بالإضافة إلى بطارية أخرى مصنوعة من إلكتروليتات غير مغلفة، ومقارنة أدائها.

لسنوات عديدة، حاول العلماء تحسين كفاءة بطاريات الحالة الصلبة لجعلها لاعبًا تنافسيًا في الأسواق العالمية. في عام 2023 ، سعى العلماء إلى إيجاد وسائل لتحسين مسارات نقل أيون الليثيوم عن طريق المنحل بالكهرباء الصلب. استخدموا معامل التوهين النيوتروني الأعلى بكثير لواحد من أكثر نظائر الليثيوم المستقرة وفرة، ⁶Li، لصالحهم وأجروا تصويرًا للنيوترونات باستخدام بطارية ليثيوم-كبريت ذات حالة صلبة بالكامل. باستخدام محتوى أعلى من ⁶Li في الأنود واستخدام الليثيوم الطبيعي في فاصل الإلكتروليت الصلب والكاثود، تم تعزيز التباين مما ساعد على التمييز، أثناء التفريغ الأولي، أي من أيونات الليثيوم المتنقلة المنتشرة عبر الخلية من الأنود وأي منها كانت موجودة في البداية في المنحل بالكهرباء الصلبة. نظرًا لأن النيوترونات حساسة لنظائر الليثيوم المختلفة، فقد كشف التصوير الشعاعي النيوتروني عن انتشار أيون الليثيوم عبر الخلية بينما كان التصوير المقطعي النيوتروني في الموقع قادرًا على عرض توزيع أيونات الليثيوم المحاصرة داخل الخلية في الحالات المشحونة والمفرغة.

Image: a) Representation of the cell setup for neutron imaging, with cell composition displayed in the expanded regions. b) Radiography images showing neutron attenuation for a cell where the Li–In anode is enriched with ⁶Li (top) and one where all Li is the naturally occurring isotopic mix (bottom). The images are displayed within the same contrast range and show a cell in the pristine state. c) Plots displaying the cross‐section of the median neutron attenuation (Σmedian) across the images displayed in (b)

Source: Robert Bradbury, Nikolay Kardjilov, Georg F. Dewald, Alessandro Tengattini/ Visualizing Lithium Ion Transport in Solid‐State Li–S Batteries Using Li Contrast Enhanced Neutron Imaging/ Advanced Functional Materials 33(38), June 2023/ DOI:10.1002/adfm.202302619/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

أيضًا في عام 2023 ، استخدم العلماء عمليات محاكاة ديناميكيات جزيئية واسعة النطاق لدراسة وكشف المسارات الذرية وحواجز الطاقة لبلورة الليثيوم في السطوح البينية الصلبة. وُجد أن تبلور الليثيوم يتخذ مسارات متعددة الخطوات تتوسطها ذرات الليثيوم البينية ذات التكوينات العشوائية والمغلقة كخطوات وسيطة، مما تسبب في حاجز الطاقة للتبلور. سمح هذا بتطبيق قاعدة خطوة أوستفالد، أي تكوين هياكل متعددة الأشكال، لتمتد إلى حالات الذرة البينية، ومكن من وضع استراتيجية عقلانية لبلورة الحاجز الأدنى من خلال تعزيز حالات الذرة البينية المواتية كخطوات وسيطة من خلال الهندسة البينية.

Image: A schematic of multiple-step pathways of Li crystallization The Li⁺ (orange, anion shown in red) in solid electrolytes (SE) goes through disordered-Li (cyan) and/or rHCP (random hexagonal close-packed)-Li (green) in the interfacial Li layer at the SE interface, and transforms into the crystalline BCC (body-centered cubic)-Li metal (blue)

Source: Menghao Yang, Yunsheng Liu, Yifei Mo/ Lithium crystallization at solid interfaces/ Nature Communications 14(1), May 2023/ DOI:10.1038/s41467-023-38757-2/ Open Access This is an Open Access article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

إن طلاء الإلكتروليت في بطاريات الحالة الصلبة له العديد من المزايا: فقد وجد الفريق أنه يقلل بشكل كبير من تفاعل الإلكتروليت مع أنود الليثيوم. كما أنه يقلل من معدل تسرب الإلكترونات من المنحل بالكهرباء. وهذا أمر مهم لأنه يعتقد أن الإلكترونات المتسربة تؤدي إلى تفاعلات يمكن أن تشكل التشعبات. معًا، يمكن لفوائد الطلاء أن تزيد بشكل كبير عدد المرات التي يمكن فيها شحن وتفريغ بطارية الحالة الصلبة قبل أن يبدأ أدائها في التدهور. يعتقد العلماء أن الطلاء يمكّن المنحل بالكهرباء من الاتصال بشكل أفضل بالأنود. ولاحظوا أيضًا فائدة غير متوقعة للطلاء: فهو يمكن أن يضاعف الموصلية الأيونية للكهارل.

يعد إكمال الدراسة بنجاح مساهمة كبيرة في تعزيز تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة. يمكن استخدام تقنية الطلاء مع إلكتروليتات وطلاءات مختلفة، والتي يمكن أن تنتج مجموعة واسعة من أنواع البطاريات الصلبة المختلفة.

من قبل هيئة التحرير