اكتشف باحثو جامعة أكسفورد كيف تفشل بطاريات الحالة الصلبة لمعدن الليثيوم (Li-SSBs)، مما قد يمهد الطريق لبطاريات EV محسنة، وحدد الفريق أن تكوين "التشعبات" ونموها يتسببان في قصر دائرة البطاريات، وهي رؤى يمكن أن تساعد في معالجة العقبات التكنولوجية في تطوير بطاريات الحالة الصلبة.
وكشفت دراسة جديدة عن الآليات التي تتسبب في فشل بطاريات الحالة الصلبة لمعدن الليثيوم، واستخدم الباحثون طريقة تصوير عالية الدقة لتصور البطاريات بتفاصيل غير مسبوقة أثناء الشحن.
يمكن أن تساعد الرؤى الجديدة في التغلب على المشكلات الفنية المتعلقة ببطاريات الحالة الصلبة، وإطلاق العنان لتكنولوجيا تغيير قواعد اللعبة للسيارات الكهربائية والطيران، ويمكن لبطاريات السيارات الكهربائية المحسّنة بشكل كبير أن تقترب خطوة أخرى بفضل دراسة جديدة بقيادة باحثين من جامعة أكسفورد، ونُشرت في 7 يونيو في مجلة Nature.
وكشف استخدام تقنيات التصوير المتقدمة عن الآليات التي تتسبب في فشل بطاريات الحالة الصلبة لمعدن الليثيوم (Li-SSBs)، إذا أمكن التغلب على هذه المشكلات، حيث يمكن لبطاريات الحالة الصلبة التي تستخدم أنودات الليثيوم المعدنية أن تقدم تحسينًا متدرجًا في نطاق بطارية المركبات الكهربائية، والسلامة، والأداء، وتساعد في تطوير الطيران الذي يعمل بالطاقة الكهربائية.
تتميز Li-SSBs عن البطاريات الأخرى لأنها تحل محل المنحل بالكهرباء السائل القابل للاشتعال في البطاريات التقليدية بإلكتروليت صلب وتستخدم معدن الليثيوم كقطب موجب (القطب السالب)، حيث يحسن استخدام المنحل بالكهرباء الصلب من السلامة ، واستخدام معدن الليثيوم يعني أنه يمكن تخزين المزيد من الطاقة، ومع ذلك ، فإن التحدي الحاسم مع Li-SSBs هو أنها عرضة لدائرة كهربائية قصيرة عند الشحن بسبب نمو "التشعبات": خيوط من معدن الليثيوم تتشقق خلال إلكتروليت السيراميك، كجزء من مشروع SOLBAT التابع لمعهد فاراداي، قاد باحثون من أقسام المواد والكيمياء والعلوم الهندسية بجامعة أكسفورد سلسلة من التحقيقات المتعمقة لفهم المزيد حول كيفية حدوث هذه الدائرة القصيرة.
في هذه الدراسة الأخيرة، استخدمت المجموعة تقنية تصوير متقدمة تسمى التصوير المقطعي بالأشعة السينية في مصدر الضوء الماسي لتصور فشل التغصنات بتفاصيل غير مسبوقة أثناء عملية الشحن، وكشفت دراسة التصوير الجديدة أن بدء وانتشار شقوق التغصنات هما عمليتان منفصلتان، مدفوعان بآليات أساسية مميزة، وتبدأ شقوق التغصنات عندما يتراكم الليثيوم في المسام تحت السطح، عندما تمتلئ المسام ، يؤدي الشحن الإضافي للبطارية إلى زيادة الضغط ، مما يؤدي إلى التشقق، في المقابل، يحدث التكاثر مع الليثيوم الذي يملأ الكراك جزئيًا فقط، من خلال آلية فتح الإسفين التي تدفع الشق إلى الفتح من الخلف، وفقاً لموقع scitechdaily.
يشير هذا الفهم الجديد إلى الطريق إلى الأمام للتغلب على التحديات التكنولوجية الخاصة بـ Li-SSBs، وقال دومينيك ملفين: "على سبيل المثال، في حين أن الضغط عند أنود الليثيوم يمكن أن يكون جيدًا لتجنب الفجوات التي تتطور في السطح البيني مع المنحل بالكهرباء الصلب عند التفريغ، فإن نتائجنا توضح أن الضغط الزائد يمكن أن يكون ضارًا ، مما يؤدي إلى انتشار التغصنات وقصر الدائرة احتمال الشحن أكثر".
وقال السير بيتر بروس، رئيس ولفسون ، أستاذ المواد في جامعة أكسفورد ، كبير العلماء في معهد فاراداي، والمؤلف المقابل للدراسة: "العملية التي يمكن من خلالها لمعدن ناعم مثل الليثيوم اختراق مادة خزفية صلبة عالية الكثافة أثبت الإلكتروليت أنه صعب الفهم مع العديد من المساهمات المهمة من قبل علماء ممتازين حول العالم، ونأمل أن تساعد الأفكار الإضافية التي اكتسبناها في تقدم أبحاث بطاريات الحالة الصلبة نحو جهاز عملي ".