قام علماء أمريكيون بتطوير طلاء فائق الرقة يمكنه تمكين بطاريات الحالة الصلبة بشكل أسرع وأكثر أمانًا
طور الباحثون في مختبر أرجون الوطني طريقة أسرع بمساعدة الكمبيوتر للعثور على طبقات نانوية واقية يمكنها تثبيت بطاريات الحالة الصلبة الواعدة ولكن الهشة القائمة على الكبريتيد. تم اكتشاف أن طبقة رقيقة للغاية من أكسيد المغنسيوم بسمك نانومتر واحد يمكنها تثبيت الشوارد الصلبة القائمة على الكبريتيد في بطاريات الحالة الصلبة من الجيل التالي. يجمع النهج بين الفحص الحسابي والاختبار التجريبي. وأظهرت أن الطلاءات الأكثر فعالية تعمل من خلال التفاعل مع واجهات البطارية لتشكيل حاجز وقائي. بالإضافة إلى ذلك، يسمح الطلاء بمرور أيونات الليثيوم بينما يمنع تدفق الإلكترون الذي يسبب التدهور. الكيمياء داخل البطارية تعتبر بطاريات الحالة الصلبة على نطاق واسع مستقبل تخزين الطاقة الآمن عالي السعة، إلا أن التطوير محدود بسبب الهشاشة الكيميائية لمكوناتها الواعدة. على وجه التحديد، تميل الإلكتروليتات الصلبة القائمة على الكبريتيد إلى التفاعل بشكل مدمر عند الحدود الداخلية الرئيسية، خاصة عند ملامستها لمعدن الليثيوم. تؤدي هذه الحرب الكيميائية غير المرغوب فيها إلى تحلل المواد من الداخل إلى الخارج، مما يضر بشدة بالأداء ويقلل من عمر البطارية. ولحل مشكلة التحلل هذه، ركز فريق البحث على إلكتروليت صلب محدد من الكبريتيد يُعرف باسم كلوريد كبريت فوسفور الليثيوم (LPSCl). في هذا العمل، تم فحص مجموعة واسعة من طبقات الأكسيد باستخدام تقنية حسابية تسمى نظرية الكثافة الوظيفية. يتم تطبيق هذه المرشحات عبر ترسيب الطبقة الذرية (ALD)، وهي طريقة تصنيع عالية الدقة قادرة على ترسيب طبقات موحدة ورقيقة للغاية على مستوى شبه ذري. استفاد العلماء من نماذج الكمبيوتر لمحاكاة والتنبؤ بكيفية تصرف كل طلاء عبر ثلاثة حدود للبطارية عالية الاحتكاك. ركزت عمليات المحاكاة الخاصة بهم على مكان تقاطع الطبقة الواقية مع المنحل بالكهرباء، وأنود معدن الليثيوم، ومواد الكاثود. الفائز: أكسيد المغنسيوم تقليديا، يفترض العلماء أن أفضل طلاء هو الأقل تفاعلا. لقد أرادوا شيئًا خاملًا تمامًا. لكن البيانات الحسابية تحكي قصة مختلفة: أفضل الطلاءات تتفاعل بالفعل مع المنحل بالكهرباء. ما يهم أكثر هو ما يصبح الطلاء بعد أن يتفاعل. يشكل الطلاء المثالي حاجزًا “ذكيًا”. إنه يمنع تدفق الإلكترونات، مما يوقف المزيد من التحلل، ولكنه يترك الباب مفتوحًا على مصراعيه لتمرير أيونات الليثيوم. عند اختبار هؤلاء المرشحين في المختبر، برز أكسيد المغنيسيوم كأفضل أداء. لقد أدى ذلك إلى تحسين استقرار المنحل بالكهرباء ضد معدن الليثيوم، مما يقلل من مقاومة الواجهة ويعزز الأداء العام. كان أكسيد الزنك (ZnO) شديد التفاعل، ولكن نظرًا لأن منتجات التفاعل الخاصة به تتمتع بخصائص النقل الصحيحة، فقد ظل أداؤه جيدًا. من ناحية أخرى، كان أكسيد الزركونيوم (ZrO₂) مخيبا للآمال. على الرغم من استقراره الشديد من تلقاء نفسه، إلا أنه تفاعل لتشكيل مسارات سيئة “مسدودة”، مما أدى إلى أداء رهيب. علاوة على ذلك، تم استخدام المجهر الإلكتروني المتقدم والتحليل الطيفي للأشعة السينية للتأكد من توزيع الطلاءات بشكل مثالي وموحد على أسطح مسحوق الإلكتروليت. يمكن أن يكون هذا الطلاء النانومتري الرقيق للغاية أمرًا حيويًا لمستقبل السيارات الكهربائية، مما يجعل الشحن الآمن وفائق السرعة أقرب إلى الواقع. في حين أن بطاريات الليثيوم أيون السائلة التقليدية تخاطر بـ “الانفلات الحراري” الخطير عند الضغط عليها بقوة، فإن بطاريات الحالة الصلبة المحمية بهذا الدرع الجديد يمكن نظريًا شحنها في أقل من عشر دقائق دون التعرض لخطر ارتفاع درجة الحرارة أو اشتعال النيران. ومع هذه الدراسة، لم يعد العلماء بحاجة إلى التخمين. لديهم طريقة سريعة يمكن التنبؤ بها لفحص آلاف المواد المرشحة، مما يجعلنا نقترب خطوة كبيرة من السيارات الكهربائية التي يتم شحنها في دقائق وتعمل بأمان لعقود من الزمن.
تم النشر: 2026-07-17 17:59:00
