تتجاهل تقنية بطاريات الحالة الصلبة الجديدة -40 درجة مئوية باردة وحرارة 55 درجة مئوية في الاختبارات
قام الباحثون بتطوير إلكتروليت بوليمر جديد ذو الحالة الصلبة يمكن أن يساعد بطاريات معدن الليثيوم على العمل عبر نطاق واسع من درجات الحرارة مع الحفاظ على أداء الجهد العالي. قام فريق من جامعة جنوب الصين العادية بتصميم بولي (رباعي هيدروفيوران)، أو بولي (THF)، المنحل بالكهرباء الذي يعالج العديد من التحديات طويلة الأمد التي تواجه بطاريات الحالة الصلبة. وتعتبر هذه البطاريات بديلاً واعداً لأنظمة أيونات الليثيوم التقليدية لأنها تستبدل الشوارد السائلة القابلة للاشتعال بمواد صلبة أكثر أماناً. ومع ذلك، فإن معظم إلكتروليتات البوليمر ذات الحالة الصلبة تعاني من ضعف التوصيل الأيوني، وضعف الاتصال بأقطاب البطارية، واستقرار محدود عند الفولتية العالية. تميل إلكتروليتات البولي إيثر المبلمرة الموجودة في الموقع أيضًا إلى التدهور عند إقرانها بكاثودات عالية الجهد، مما يقلل من عمر البطارية وأدائها. وللتغلب على هذه القيود، طور الباحثون إلكتروليتًا يتشكل مباشرة داخل البطارية من خلال عملية بلمرة في الموقع. ونظرًا لأن المادة تبدأ كمقدمة سائلة قبل أن تتصلب، فيمكنها تحقيق اتصال وثيق مع أقطاب البطارية مع الحفاظ على توافقها مع طرق إنتاج بطاريات الليثيوم أيون الحالية. حل ثلاث عقبات رئيسية عالج الباحثون ثلاث مشكلات رئيسية في وقت واحد: استقرار الجهد، ونقل الأيونات، وحماية القطب الكهربائي. أولاً، قاموا باستبدال المونومر 1،3-ديوكسولان الشائع الاستخدام برباعي هيدروفيوران. وفقًا للفريق، أدى التغيير إلى تحسين استقرار الأكسدة، مما سمح للإلكتروليت بمقاومة الفولتية التي تصل إلى 4.9 فولت. بعد ذلك، قاموا بإدخال إيثيلين جلايكول ديجليسيديل إيثر كعامل ربط متقاطع. أنشأ الهيكل ثلاثي الأبعاد الناتج مسارات إضافية لحركة أيونات الليثيوم، مما عزز الموصلية الأيونية إلى 3.3 مللي سيميز/سم عند درجة حرارة الغرفة. المكون الثالث هو بورات الليثيوم ديفلورو (أوكسالاتو)، أو LiDFOB. بالإضافة إلى كونها ملح الليثيوم، بدأت المادة أيضًا عملية البلمرة وساعدت في تشكيل مرحلة بينية وقائية على كلا القطبين الكهربائيين. يحتوي الطور البيني على فلوريد الليثيوم ومركبات البورون والأكسجين والفلور التي تقلل من التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها وتساعد على استقرار أداء البطارية أثناء دورات الشحن والتفريغ المتكررة. قال الباحثون: “لقد أدركنا أن مجرد تصميم بوليمر يتمتع بثبات أكسدة عالٍ يعني عادةً التضحية بالتوصيل الأيوني”. “لهذا السبب قمنا بتقديم الرابط المتقاطع – لإضافة مواقع التنقل لأيونات الليثيوم دون المساس باستقرار الجهد.” تم تصميم المنحل بالكهرباء من أجل أقصى الحدود، وتم اختبار المنحل بالكهرباء باستخدام بطاريات معدن الليثيوم باستخدام كاثودات NCM811 الغنية بالنيكل وأكسيد كوبالت الليثيوم. ظلت البطاريات مستقرة عند جهد قطع عالٍ يبلغ 4.5 فولت على مدى مئات دورات تفريغ الشحن مع الحد الأدنى من فقدان السعة. أبلغ الباحثون أيضًا عن تشغيل البطارية بين -40 درجة مئوية و55 درجة مئوية، وهو نطاق يمكن أن يكون ذا قيمة للسيارات الكهربائية، وطائرات الإقلاع والهبوط العمودي الكهربائية، وأنظمة تخزين الطاقة على نطاق الشبكة. قال المؤلفون: “جاءت المفاجأة الحقيقية من LiDFOB: فهو لا يبدأ عملية البلمرة فحسب، بل يبني درعًا واقيًا على كلا القطبين الكهربائيين”. “هذه الاستراتيجية المشتركة تكسر أخيرًا المفاضلة بين الاستقرار والتوصيل.” وسلط الفريق الضوء أيضًا على المزايا التصنيعية لهذا النهج. قال المؤلفون: “ولأن عمليتنا تستخدم البلمرة في الموقع، فلن يحتاج مصنعو البطاريات إلى إصلاح خطوط الإنتاج الخاصة بهم – إنه حل سهل الاستخدام يعمل مع المعدات الموجودة”. ويعتقد الباحثون أن نفس استراتيجية التصميم يمكن تكييفها في نهاية المطاف مع كيمياء البطاريات الأخرى، بما في ذلك الأنظمة المعتمدة على الصوديوم وكبريت الليثيوم. ونشرت الدراسة في مجلة eScience Energy.
تم النشر: 2026-06-04 02:23:00
