معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يبتكر طريقة لأنتاج بطاريات الحالة الصلبة

هداية بيوميمنذ أسبوع واحد

نعلم جميعًا أن بطاريات الحالة الصلبة أفضل من البطارية التي تحتوي على إلكتروليتات سائلة أو شبه سائلة. تتمتع بطاريات الحالة الصلبة بخطر أقل للانحراف الحراري (ما يسميه الناس العاديون الحرائق). كما أن لديها كثافة طاقة أعلى ، ويمكن شحنها وتفريغها بسرعة أكبر ، وتعمل بشكل أفضل في درجات الحرارة الباردة ، وتدوم لفترة أطول. فلماذا لا يستخدمها الجميع لتشغيل سياراتهم الكهربائية التي تعمل بالبطاريات؟

انتاج بطاريات الحالة الصلبة

الجواب هو ، لا أحد يعرف كيف يصنعها خارج المختبر – حتى الآن – لكن العلماء يقتربون طوال الوقت من ايجاد طريقة لانتاجها بشكل تجاري خارج المعامل . وفقًا لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، فإن إحدى العقبات الرئيسية في صنع بطاريات الحالة الصلبة هي أن عدم الاستقرار في الحدود بين طبقة الإلكتروليت الصلبة والقطبين الموجودين على كلا الجانبين يمكن أن يقصر بشكل كبير من عمرها. تؤدي إضافة طلاءات خاصة لتحسين الترابط بين الطبقات إلى حل بعض المشكلات ولكنها تزيد من تكلفة التصنيع.

 

 

توصل فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومختبر Brookhaven الوطني إلى طريقة لتحقيق نتائج تساوي أو تتجاوز متانة الأسطح المطلية دون الحاجة إلى الطلاءات. المفتاح هو القضاء على أي أثر لثاني أكسيد الكربون خلال خطوة حاسمة في عملية التصنيع المعروفة باسم التلبيد.

 

في هذه العملية ، يتم تسخين مواد بطارية الحالة الصلبة المصنوعة من مركبات السيراميك لإنشاء رابطة بين الكاثود والإلكتروليت. يؤدي القيام بذلك في وجود الأكسجين النقي إلى إنشاء روابط تتناسب مع أداء أفضل الأسطح المطلية دون تكلفة الطلاء الإضافية. نُشرت نتائج البحث مؤخرًا في مجلة Advanced Energy Materials.

مشاكل بطاريات الحالة الصلبة

يقول الباحث بيلج يلدز: “لقد كانت بطاريات الحالة الصلبة مرغوبة لأسباب مختلفة لفترة طويلة”. “تتمثل نقاط التحفيز الرئيسية للبطاريات الصلبة في أنها أكثر أمانًا وذات كثافة طاقة أعلى” ، لكنها تقول إنها مُنعت من التسويق التجاري على نطاق واسع بسبب عاملين – الموصلية المنخفضة للكهرباء الصلبة والمشكلة الثانية عدم استقرار الواجهة.

 

ووفقًا لما قاله يلدز ، فقد تم التعامل مع معضلة التوصيلية الكهربية بشكل فعال ، كما تم بالفعل عرض المواد عالية التوصيلية المعقولة. لكن التغلب على حالات عدم الاستقرار التي تظهر في الواجهة كان أكثر صعوبة بكثير. يمكن أن تحدث حالات عدم الاستقرار هذه أثناء التصنيع والتشغيل الكهروكيميائي لمثل هذه البطاريات ، ولكن في الوقت الحالي ركز الباحثون على التصنيع ، وعلى وجه التحديد عملية التلبيد.

بطارية صلبة وتلبيد

التلبيد ضروري لأنه إذا تم ضغط طبقات السيراميك على بعضها البعض ، فإن الاتصال بينها بعيد عن أن يكون مثاليًا. هناك الكثير من الفجوات والمقاومة الكهربائية عبر الواجهة عالية. يتسبب التكلس في انتقال الذرات من كل مادة إلى الأخرى لتشكيل روابط.

 

أظهرت تجارب الفريق أنه في درجات حرارة أعلى من بضع مئات من الدرجات ، تحدث تفاعلات ضارة تزيد من المقاومة في الواجهة في حالة وجود ثاني أكسيد الكربون ، حتى بكميات ضئيلة. لقد أثبتوا أن تجنب ثاني أكسيد الكربون ، وخاصة الحفاظ على جو الأكسجين النقي أثناء التلبيد ، يمكن أن يخلق روابط جيدة جدًا عند درجات حرارة تصل إلى 700 درجة ، مع عدم تكوين أي من المركبات الضارة.

 

 

كان أداء واجهة الكاثود والإلكتروليت المصنوع باستخدام هذه الطريقة “مشابهًا لأفضل مقاومات الواجهة التي رأيناها في الأدبيات” ، ولكن تم تحقيقها جميعًا باستخدام الخطوة الإضافية لتطبيق الطلاء. قال يلدز: “وجدنا أنه يمكنك تجنب خطوة التصنيع الإضافية هذه ، والتي عادة ما تكون باهظة الثمن”.

ماذا بعد؟

يدرس فريق البحث الآن كيف تصمد هذه الروابط على المدى الطويل أثناء دورة البطارية. وفي الوقت نفسه ، يمكن تطبيق النتائج الجديدة بسرعة على إنتاج بطاريات الحالة الصلبة ، كما يقول يلدز. ما نقترحه هو عملية بسيطة نسبيًا في تصنيع الخلايا. لا يضيف الكثير من الطاقة إلى التصنيع. لذلك ، نعتقد أنه يمكن اعتماده بسهولة نسبيًا في عملية التصنيع “. يعتقد الفريق أن التكاليف الإضافية لا تكاد تذكر

 

تم دعم البحث من قبل مكتب أبحاث الجيش الأمريكي من خلال معهد MIT لتقنيات النانو استخدم الفريق المرافق التي تدعمها مؤسسة العلوم الوطنية والمرافق في مختبر Brookhaven الوطني بدعم من وزارة الطاقة.

مصدر:معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يبتكر طريقة لأنتاج بطاريات الحالة الصلبة – Justev