17.8 C
بروكسل
الجمعة، مارس 17، 2023

اختراق ستانفورد يمهد الطريق لبطاريات الليثيوم المعدنية من الجيل التالي التي تشحن بسرعة كبيرة

إخلاء المسؤولية: المعلومات والآراء الواردة في المقالات هي تلك التي تنص عليها وهي مسؤوليتهم الخاصة. النشر في The European Times لا يعني الموافقة تلقائيًا على وجهة النظر ، ولكن الحق في التعبير عنها.

تعد بطاريات الليثيوم المعدنية ذات الإلكتروليتات الصلبة تقنية واعدة نظرًا لخفة وزنها وطبيعتها غير القابلة للاشتعال وكثافة الطاقة العالية وقدرتها على إعادة الشحن السريع. ومع ذلك ، فقد أعاق تطورها قضية قصر الدائرة والفشل. يدعي العلماء في جامعة ستانفورد ومختبر المسرع الوطني SLAC أنهم تمكنوا من حل هذا اللغز.


بطاريات الليثيوم المعدنية الجديدة ذات الإلكتروليتات الصلبة خفيفة الوزن وقابلة للاشتعال وتحزم الكثير من الطاقة ويمكن إعادة شحنها بسرعة كبيرة ، ولكنها كانت بطيئة في التطور بسبب قصر الدائرة الغامض والفشل. الآن ، الباحثون في جامعة ستانفورد و مختبر تسريع SLAC الوطني يقولون أنهم حلوا اللغز.

يتعلق الأمر بالضغط - الضغط الميكانيكي ليكون أكثر دقة - خاصة أثناء إعادة الشحن الفعال.


أوضح المؤلف الكبير ويليام تشويه ، الأستاذ المشارك في علوم وهندسة المواد في كلية الهندسة وعلوم الطاقة والهندسة في كلية ستانفورد دوير الجديدة للاستدامة.

قال تشويه ، الذي أدار البحث مع ويندي جو ، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية: "حتى الغبار أو الشوائب الأخرى التي يتم إدخالها في التصنيع يمكن أن تولد ضغطًا كافيًا للتسبب في الفشل".

يُظهر عرض هذا الفنان انحناء مسبارًا واحدًا عن الضغط المطبق ، مما تسبب في حدوث كسر في المنحل بالكهرباء الصلب المليء بالليثيوم. على اليمين ، المسبار لا يضغط على المنحل بالكهرباء وألواح الليثيوم على سطح السيراميك ، حسب الرغبة. الائتمان: Cube3D


مشكلة فشل الإلكتروليتات الصلبة ليست جديدة وقد درس الكثيرون هذه الظاهرة. النظريات كثيرة حول ماهية السبب بالضبط. يقول البعض إن التدفق غير المقصود للإلكترونات هو السبب ، بينما يشير آخرون إلى الكيمياء. ومع ذلك ، يرى آخرون أن هناك قوى مختلفة تلعب دورها.

في دراسة نشرت اليوم (30 يناير) في المجلة الطاقة الطبيعةيشرح المؤلفون الرئيسيون المشاركون جيف ماكونهي ، شين شو ، وتينج كوي في تجارب صارمة وذات دلالة إحصائية كيف تتسبب عيوب المقياس النانوي والضغط الميكانيكي في فشل الإلكتروليتات الصلبة. يمكن للعلماء حول العالم الذين يحاولون تطوير بطاريات إلكتروليتية صلبة جديدة قابلة لإعادة الشحن أن يقوموا بالتصميم حول المشكلة أو حتى تحويل الاكتشاف لمصلحتهم ، كما يبحث الآن الكثير من فريق جامعة ستانفورد. يمكن لبطاريات الليثيوم المعدنية كثيفة الطاقة وسريعة الشحن وغير القابلة للاشتعال والتي تدوم لفترة طويلة التغلب على العوائق الرئيسية أمام الاستخدام الواسع النطاق للسيارات الكهربائية ، من بين العديد من الفوائد الأخرى.

دلالة إحصائية

العديد من الإلكتروليتات الصلبة الرائدة اليوم هي السيراميك. إنها تتيح النقل السريع لأيونات الليثيوم وتفصل فعليًا قطبين يخزنان الطاقة. والأهم من ذلك أنها مقاومة للحريق. ولكن ، مثل السيراميك في منازلنا ، يمكنهم إحداث شقوق صغيرة على سطحهم.

أظهر الباحثون من خلال أكثر من 60 تجربة أن السيراميك غالبًا ما يكون مشبعًا بالشقوق النانومترية والخدوش والشقوق ، التي يقل عرضها عن 20 نانومترًا. (يبلغ سمك الورقة حوالي 100,000 نانومتر.) أثناء الشحن السريع ، يقول تشويه وفريقه ، تنفتح هذه الكسور المتأصلة ، مما يسمح لليثيوم بالتطفل.

مقطع فيديو بالمجهر الإلكتروني يُظهر طلاء الليثيوم أثناء حدوثه على إلكتروليت صلب. الائتمان: شين شو وجيف ماكونهي ووينفانغ شي

في كل تجربة ، قام الباحثون بتطبيق مسبار كهربائي على إلكتروليت صلب ، وإنشاء بطارية مصغرة ، واستخدموا مجهرًا إلكترونيًا لمراقبة الشحن السريع في الوقت الفعلي. بعد ذلك ، استخدموا شعاعًا أيونيًا كمشرط لفهم سبب تجمع الليثيوم على سطح السيراميك في بعض المواقع ، حسب الرغبة ، بينما في أماكن أخرى يبدأ في الحفر ، أعمق وأعمق ، حتى جسور الليثيوم عبر الإلكتروليت الصلب ، وخلق دائرة كهربائية قصيرة.

الفرق هو الضغط. عندما يلمس المسبار الكهربائي سطح المنحل بالكهرباء ، يتجمع الليثيوم بشكل جميل فوق المنحل بالكهرباء حتى عندما يتم شحن البطارية في أقل من دقيقة واحدة. ومع ذلك ، عندما يضغط المسبار على الإلكتروليت الخزفي ، محاكياً الضغوط الميكانيكية للمسافة البادئة ، والانحناء ، والالتواء ، فمن المرجح أن تكون دوائر البطارية قصيرة.

النظرية في الممارسة

تتكون بطارية الحالة الصلبة في العالم الحقيقي من طبقات فوق طبقات من صفائح الأنود المهبطي-المنحل بالكهرباء مكدسة فوق بعضها البعض. يتمثل دور الإلكتروليت في فصل الكاثود عن الأنود فعليًا ، مع السماح لأيونات الليثيوم بالسفر بحرية بين الاثنين. إذا لامس الكاثود والأنود أو تم توصيلهما كهربائياً بأي شكل من الأشكال ، كما هو الحال عن طريق نفق من الليثيوم المعدني ، تحدث دائرة كهربائية قصيرة.

كما أظهر Chueh وفريقه ، حتى الانحناء الخفيف ، أو الالتواء الطفيف ، أو وجود بقعة من الغبار بين المنحل بالكهرباء وأنود الليثيوم سوف يتسبب في حدوث شقوق غير محسوسة.

قال ماكونهي ، الذي أكمل الدكتوراه العام الماضي من العمل في مختبر تشويه ويعمل الآن في الصناعة: "بالنظر إلى الفرصة للحفر في المنحل بالكهرباء ، فإن الليثيوم سيشق طريقه في النهاية ، ليربط الكاثود والأنود". "عندما يحدث ذلك ، تفشل البطارية."

المؤلفون المشاركون في الدراسة الجديدة ، من اليسار ، شين يو ، وتينج كوي ، وجيف ماكونهي يجلسون أمام مجهر إلكتروني / مسح ضوئي مركَّز يستخدم في هذا البحث. الائتمان: شين شو

قال الباحثون إن الفهم الجديد تم إثباته مرارًا وتكرارًا. قاموا بتسجيل فيديو للعملية باستخدام المجاهر الإلكترونية الماسحة - وهي نفس المجاهر التي لم تكن قادرة على رؤية الشقوق الناشئة في الإلكتروليت النقي غير المختبَر.



وأوضح شو أن الأمر يشبه إلى حد ما الطريقة التي تظهر بها الحفرة في الرصيف المثالي. من خلال المطر والثلج ، تضرب إطارات السيارات المياه في العيوب الصغيرة الموجودة مسبقًا في الرصيف مما ينتج عنه تشققات تتسع باستمرار وتنمو بمرور الوقت.

قال شو ، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر تشويه: "الليثيوم هو في الواقع مادة ناعمة ، ولكن ، مثل الماء في تشبيه الحفرة ، كل ما يتطلبه الأمر هو الضغط لتوسيع الفجوة والتسبب في فشل".

مع فهمهم الجديد في متناول اليد ، يبحث فريق Chueh عن طرق لاستخدام هذه القوى الميكانيكية نفسها عن قصد لتقوية المادة أثناء التصنيع ، تمامًا مثل الحداد الذي يصلح شفرة أثناء الإنتاج. يبحثون أيضًا عن طرق لتغطية سطح المنحل بالكهرباء لمنع التشققات أو إصلاحها في حالة ظهورها.

قال كوي ، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر جو: "تبدأ كل هذه التحسينات بسؤال واحد: لماذا؟" "نحن المهندسين. أهم شيء يمكننا القيام به هو معرفة سبب حدوث شيء ما. بمجرد أن نعرف ذلك ، يمكننا تحسين الأمور ".


المرجع: "التنظيم الميكانيكي لاحتمال اقتحام الليثيوم في الشوارد الصلبة العقيق" 30 كانون الثاني (يناير) 2023 ، الطاقة الطبيعة.
DOI: 10.1038/s41560-022-01186-4

تشويه هو أيضًا زميل أقدم في معهد بريكورت للطاقة بجامعة ستانفورد ، وعالم هيئة تدريس في SLAC. المؤلفون المشاركون في الدراسة غير المذكورين أعلاه هم طلاب الدكتوراه في جامعة ستانفورد ، إدوارد باركس ، وصني وانج ، وإيما كايلي ، وباحثة ما بعد الدكتوراه سيليست ميلاميد.

التمويل: معهد سامسونج المتقدم للتكنولوجيا ، مكتب تقنيات المركبات ، مبادرة ستانفورد للتخزين


- الإعلانات -

المزيد من المؤلف

- الإعلانات -

يجب أن يقرأ

- الإعلانات -

أحدث المقالات