سولارابيك – الولايات المتحدة الأمريكية – 21 مايو 2021: توصل فريق بحثي من جامعة «هارفرد – Harvard» بقيادة الأستاذ المشارك «Associate Professor» شين لي والمتخصص بعلم المواد، إلى تصميم بطارية ليثيوم صلبة مستقرة تمتلك القدرة على الشحن والتفريغ لما يزيد عن 10 آلاف دورة إضافية بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون «Li-ion» التقليدية، ونشر البحث في مجلة «نايتشر – Nature» العلمية.
بطاريات الليثيوم الصلبة
حاول الباحثون على مدى عقود، تسخير إمكانات بطاريات الليثيوم المعدنية الصلبة – التي تحتوي على طاقة أكبر من البطاريات السائلة في نفس حجم – وتمكين شحنها في وقت أقل مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية.
تمكن فريق «هارفرد – Harvard» البحثي من رفع كثافة التيار للبطارية الصلبة، حيث قاموا بالاعتماد على مادة مهبط تجارية كثافتها الطاقية عالية، مما يساعد في التمهيد لتسريع فترة شحن بطاريات السيارات الكهربائية بشكل كامل في غضون 10 إلى 20 دقيقة.
وتمتلك هذه التكنولوجيا القدرة على زيادة عمر بطاريات السيارات الكهربائية من 10 إلى 15 عاما، قبل الحاجة إلى استبدال البطارية.
تعد بطاريات الشحن السريع طويلة الأمد ضرورية لتوسيع سوق السيارات الكهربائية، ولكن بطاريات الليثيوم أيون «Li-ion» المتوفرة حالياً لا ترقى لما هو مطلوب – فهي ثقيلة جدا ومكلفة للغاية وتستغرق وقتاً طويلاً لشحنها.
بطاريات الليثيوم المعدنية الصلبة vs بطاريات الليثيوم أيون
تمتلك بطاريات الليثيوم أيون «Li-ion» سوقاً واسعاً حالياً ولكنها تعاني من مشكلة شهيرة تعرف بالتفرع الشجري حيث يرافق حركة الالكترونات ضمن البطارية أثناء الشحن ظهور نتوءات شجرية تشبه تفرعات الأشجار «dendrites» والتي قد تستمر بالنمو لتصل لمرحلة تصل مصعد البطارية ومهبطها وتسبب في تلف البطارية.
ركز فريق الأبحاث من «Harvard» على تجاوز هذه المشكلة من خلال استخدام عدة طبقات مختلفة من الكهرليت «electrolyte» تتمتع بحالات استقرار مختلفة، والتي ساهمت في التخلص من آثار التفرعات الشجرية حيث تستطيع هذه الطبقات أن تتحكم وتحتوي للتفرعات الناتجة.
[bsa_pro_ad_space id=3]
طبقات مختلفة من الكهرليت
يهدف وجود عدة أنواع من الكهرليت إلى التخلص كلياً من آثار التفرعات الشجرية حيث تم الاعتماد على مايلي:
– الكهرليت الأول: مكون من الجرافيت والذي يسمح بمرور التفرعات.
– الكهرليت الثاني: مكون من مادة كيميائية تُعرف باسم «LPSCI»، وهي أكثر استقراراً بالنسبة لليثيوم ولكنه عرضة للاختراق.
– الكهرليت الثالث: مكون من مادة كيميائية تُعرف باسم «LGPS»، وهي أقل استقراراً بالنسبة لليثيوم بالمقارنة مع الكهرليت الثاني، ولكنها منيعة من الاختراق.
بوجود هذه الطبقات فعند نمو التفرعات الشجرية داخل البطارية سيتم إيقافها بفضل الكهرليت الثالث وبالتالي منع حدوث قِصر داخل البطارية وتلفها.
تعليق رئيس الفريق البحثي
تعتبر بطارية الليثيوم المعدنية الكأس المقدسة لكيمياء البطارية بسبب قدرتها العالية وكثافة الطاقة. لكن استقرار هذه البطاريات كان دائماً ضعيفاً.
تظهر أبحاثنا أن بطارية الحالة الصلبة يمكن أن تكون مختلفة بشكل أساسي عن بطارية الليثيوم أيون السائلة التجارية، من خلال دراسة الديناميكا الحرارية الأساسية الخاصة بهم، يمكننا إطلاق العنان للأداء المتفوق وتسخير فرصهم الوفيرة.
هذا التصميم دليل على مفهوم يظهر أن بطاريات الليثيوم المعدنية الصلبة يمكن أن تكون قادرة على المنافسة مع بطاريات الليثيوم أيون التجارية.
مرونة وبراعة تصميمنا متعدد الطبقات يجعلها يحتمل أن تكون متوافقة مع إجراءات الإنتاج الضخم في صناعة البطارية. ولن يكون توسيع نطاقها إلى البطارية التجارية أمرا سهلا، ولا تزال هناك بعض التحديات العملية، لكننا نعتقد أنه سيتم التغلب عليها.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر: موقع جامعة هارفرد
