يمهد اكتشاف معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الطريق لبطاريات ليثيوم آمنة ذات الحالة الصلبة



يمكن أن يؤدي اكتشاف جديد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أخيرًا إلى تطوير بطاريات الليثيوم الصلبة ، والتي ستكون أخف وزنًا وأكثر إحكاما وأكثر أمانًا من بطاريات الليثيوم الحالية. لطالما كان نمو الخيوط المعدنية التي تسمى التشعبات داخل الإلكتروليت الصلب عائقًا أمام تطورها ، لكن الدراسة الجديدة تشرح كيفية تشكل التشعبات وكيفية معالجتها ، مما يؤدي إلى بطاريات الحالة الصلبة طويلة الأمد المرغوبة.

مفتاح هذه القفزة المحتملة في تكنولوجيا البطاريات هو استبدال السائل المنحل بالكهرباء الموجود بين الأقطاب الموجبة والسالبة بطبقة أرق وأخف بكثير من مادة السيراميك الصلبة ، واستبدال أحد الأقطاب الكهربائية بالليثيوم المعدني الصلب. سيؤدي ذلك إلى تقليل حجم البطارية ووزنها الإجمالي بشكل كبير والقضاء على مخاطر السلامة المرتبطة بالإلكتروليتات السائلة القابلة للاشتعال.

التشعبات ، التي اشتق اسمها من اللاتينية وتعني الفروع ، هي نتوءات معدنية يمكن أن تتراكم على سطح الليثيوم وتخترق الإلكتروليت الصلب ، ثم تمتد من قطب كهربائي إلى آخر وتقصير خلية البطارية. فشل الباحثون في الاتفاق على أسباب هذه الخيوط المعدنية ، ولم يتم إحراز تقدم كبير في كيفية منعها ، وبالتالي جعل بطاريات الحالة الصلبة خفيفة الوزن خيارًا عمليًا.

يبدو أن البحث الجديد ، الذي نُشر في مجلة جول في مقال بقلم الأستاذ بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يت-مينج تشيانج ، والباحث الرئيسي كول فينشر وخمسة باحثين آخرين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة براون ، يحل مسألة أسباب تكون التشعبات وكيفية منعها. من توصيل الكاثود والأنود.

قال تشيانغ في العمل السابق أن الفريق توصل إلى اكتشاف "مذهل وغير متوقع" ، وهو أن مادة الإلكتروليت الصلبة والصلبة المستخدمة لبطارية الحالة الصلبة يمكن أن تمر عبر الليثيوم ، وهو معدن ناعم للغاية ، أثناء العملية. شحن وتفريغ البطارية ، حيث تتحرك أيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية.

يتسبب هذا الإزاحة للأيونات في تغيير حجم الأقطاب الكهربائية. يؤدي هذا حتمًا إلى وجود جهد كهربي في الإلكتروليت الصلب ، والذي يجب أن يظل على اتصال كامل بكلا القطبين اللذين يتم إدخاله بينهما. قال تشيانغ: "لإيداع هذا المعدن ، يجب أن يكون هناك توسع في الحجم لأنه يتم إضافة كتلة جديدة". "إذن ، هناك زيادة في الحجم على جانب الخلية حيث يتم ترسيب الليثيوم. وحتى في حالة وجود عيوب مجهرية ، فإن هذا يولد ضغطًا على هذه العيوب مما قد يؤدي إلى حدوث تشققات حيث تتطور التشعبات ".

تسبب هذه الضغوطات الشقوق التي تسمح بتكوين التشعبات. تبين أن حل المشكلة هو المزيد من الضغط ، وتطبيقه في الاتجاه الصحيح وبالقدر المناسب من القوة.

بينما اعتقد بعض الباحثين سابقًا أن التشعبات تتشكل من خلال عملية كهروكيميائية بحتة ، وليست ميكانيكية ، تُظهر تجارب الفريق أن الضغوط الميكانيكية هي التي تسبب المشكلة.

عادة ما تحدث عملية تكوين التغصنات في عمق المواد المعتمة لخلية البطارية ولا يمكن ملاحظتها مباشرة ، لذلك طور فينشر طريقة لصنع خلايا رقيقة باستخدام إلكتروليت شفاف ، مما يسمح برؤية التشعبات وتسجيلها مباشرة. . قال: "يمكنك أن ترى ما يحدث عندما تضغط على النظام ويمكنك أن ترى ما إذا كانت التشعبات تتصرف بطريقة تتناسب مع عملية التآكل أو التصدع".

أظهر الفريق أنه بإمكانهم التعامل مباشرة مع نمو التغصنات ببساطة عن طريق تطبيق الضغط وإطلاقه ، مما يتسبب في أن التشعبات تتعرج وتتعرج في محاذاة مثالية مع اتجاه القوة .

لا يؤدي تطبيق الضغوط الميكانيكية على المنحل بالكهرباء الصلبة إلى القضاء على تكوين التشعبات ، ولكنه يتحكم في اتجاه نموها. هذا يعني أنه يمكن توجيههم ليظلوا موازيين للقطبين ، مما يمنعهم من العبور إلى الجانب الآخر وبالتالي يجعلهم غير ضارين.

في اختباراتهم ، استخدم الباحثون الضغط الناجم عن ثني المادة ، والتي تشكلت في شعاع بوزن في أحد طرفيه. لكنهم يقولون إنه ، من الناحية العملية ، يمكن أن يكون هناك العديد من الطرق المختلفة لإنتاج الضغوط اللازمة. على سبيل المثال ، يمكن تصنيع الإلكتروليت من طبقتين من المواد ذات مقادير مختلفة من التمدد الحراري ، مما يتسبب في انحراف المادة بطبيعتها ، كما يحدث في بعض منظمات الحرارة.

يمكن أن يكون الأسلوب الآخر هو "تخدير" المادة بالذرات التي ، بمجرد إضافتها ، تشوهها وتتركها في حالة إجهاد دائم. وأوضح تشيانغ أنها نفس الطريقة المستخدمة لإنتاج الزجاج فائق الصلابة المستخدم في شاشات الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية. الضغط المطلوب ليس شديدًا: أظهرت التجارب أن ضغطًا يتراوح من 150 إلى 200 ميغا باسكال كان كافياً لمنع التشعبات من المرور عبر الإلكتروليت.

وأضاف فينشر أن الضغط المطلوب "يتناسب مع الضغوط التي تحدث عادةً في عمليات نمو الأفلام التجارية والعديد من عمليات التصنيع الأخرى" ، لذلك لا ينبغي أن يكون من الصعب تنفيذه عمليًا.

أوضح فيشر أن نوعًا مختلفًا من الإجهاد ، يسمى ضغط المكدس ، غالبًا ما يتم تطبيقه على خلايا البطارية ، مما يؤدي أساسًا إلى سحق المادة في الاتجاه العمودي على لوحات البطارية - يشبه إلى حد ما ضغط شطيرة عن طريق وضع وزن عليها. كان يعتقد أن هذا يساعد في منع الطبقات من الانفصال. لكن التجارب أظهرت أن الضغط في هذا الاتجاه يؤدي في الواقع إلى تفاقم تكوين التغصنات ، لذلك كانت عملية التصنيع الخاصة بالبطارية هي التي تمنع بطارية الحالة الصلبة من العمل.

بدلاً من ذلك ، هناك حاجة إلى الضغط على طول مستوى الألواح ، كما لو تم ضغط الساندويتش من الجانبين. قال فينشر: "ما أظهرناه في هذا العمل هو أنه عند تطبيق قوة ضغط ، يمكنك إجبار التشعبات على التحرك في اتجاه الانضغاط" ، وإذا كان هذا الاتجاه على طول مستوى الصفائح ، فإن التشعبات "لن لا تصل أبدًا إلى الجانب الآخر ".

قد يجعل هذا أخيرًا إنتاج بطاريات بإلكتروليتات صلبة وأقطاب من معدن الليثيوم أمرًا عمليًا. لا يمكن لهذه البطاريات الاحتفاظ بمزيد من الطاقة في حجم ووزن معينين فحسب ، بل إنها ستلغي الحاجة إلى استخدام الإلكتروليتات السائلة ، وهي مواد قابلة للاشتعال.

بعد توضيح المبادئ الأساسية ، ستكون الخطوة التالية للفريق هي محاولة تطبيقها على إنشاء نموذج أولي وظيفي للبطارية ، والتغلب على ما كان حتى الآن قيدًا رئيسيًا على إنتاج البطاريات باهظة الثمن ، لأنها تحتوي على الليثيوم ، ولكنها آمنة.


برقية
بفضل قناة Telegram الخاصة بنا ، يمكنك البقاء على اطلاع دائم بنشر مقالات جديدة من السيناريوهات الاقتصادية.

⇒ سجل الآن


عقول

تمهد مقالة MIT Discovery الطريق لبطاريات ليثيوم آمنة وذات حالة صلبة تأتي من السيناريوهات الاقتصادية .


تم نشر المشاركة على مدونة Scenari Economici على https://scenarieconomici.it/scoperta-del-mit-apre-la-strada-a-batterie-al-litio-allo-stato-solido-e-sicure/ في Fri, 25 Nov 2022 10:00:46 +0000.