يشاهد العلماء تحرك الليثيوم داخل بطاريات الحالة الصلبة لأول مرة
تم استخدام تقنية رسم الخرائط القائمة على النيوترونات لتتبع حركة أيونات الليثيوم في الوقت الفعلي داخل بطارية تعمل بكامل طاقتها. اكتشف الباحثون في معهد لاونجفين (ILL) في فرنسا تعقيدات هيكلية غير متوقعة، والتي يمكن أن تساعد في تصميم بطاريات الحالة الصلبة الأكثر أمانًا وكفاءة. تم استخدام تقنية حيود المسحوق النيوتروني للنظير داخل واجهة البطارية. ومن المثير للاهتمام أن التجربة كشفت عن بنية فوضوية داخل القطب، مما يدل على أن الليثيوم لا يتدفق عبر البطارية بسلاسة كما كان يعتقد سابقًا. النظر داخل بطارية الحالة الصلبة تستخدم البطاريات القابلة لإعادة الشحن إلكتروليتات سائلة تشكل مخاطر على السلامة وتحد من الأداء. تهدف بطاريات الحالة الصلبة بالكامل إلى استبدال هذا السائل بمادة صلبة لتشغيل أكثر أمانًا وكثافة طاقة أعلى وأداء أفضل في درجات الحرارة القصوى. ومع ذلك، فإن جعل هذه البطاريات موثوقة أمر صعب لأن أيونات الليثيوم غالبًا ما تتحرك بشكل غير متساو عبر الهياكل الصلبة، مما يتسبب في شحن مناطق مختلفة بسرعات غير متطابقة. لحل هذا اللغز، استخدم الباحثون حيود النيوترونات لأول مرة للنظر بعمق داخل بطارية صلبة سميكة وفعالة. لقد ساعد في تتبع حركة الليثيوم في الوقت الفعلي لفهم عملها وتحسينه. تشتت الأشعة السينية المختبرية النموذجية الإلكترونات الثقيلة وتفوت العناصر الخفيفة، مثل الليثيوم. لكن النيوترونات تتفاعل مباشرة مع النوى الذرية. وهذا يجعلها مضبوطة بشكل مثالي لاكتشاف الليثيوم. علاوة على ذلك، تمتلك النيوترونات قوة خارقة فريدة من نوعها: الاختراق الشديد. توفر النيوترونات طريقة غير مدمرة لسبر الجزء الأكبر من كتلة البطارية السميكة، وليس فقط سطحها. وهذا يجعل من حيود مسحوق النيوترونات أداة لا تقدر بثمن لتتبع التغيرات الهيكلية أثناء شحن البطارية وتفريغها فعليًا. الحرارة للإنقاذ للحصول على إشارة نظيفة، كان على فريق ILL بناء خلية بطارية يبلغ سمكها حوالي 2.5 ملليمتر، الأمر الذي يتطلب 140 ملليجرام من مادة الكاثود النشطة. عادةً ما تعني المكونات الأكثر سمكًا مقاومة داخلية هائلة، مما يقتل التيار الكهربائي. وقد ساعد إلكتروليت صلب عالي التوصيل تم تصنيعه حديثًا (أرجايروديت هاليد مختلط) في التغلب على هذه المشكلة. لديها الموصلية الأيونية ستة أضعاف المواد التقليدية. حتى مع السماكة غير العادية، لا يزال إلكتروليت البطارية يسمح باستخراج أكثر من نصف الليثيوم بنجاح. ما رأوه غيّر فهمنا لميكانيكا الحالة الصلبة. حتى عند الشحن بوتيرة بطيئة، لم يتدفق الليثيوم بسلاسة. انقسم القطب إلى مرحلتين هيكليتين متنافستين، أطلق عليهما اسم H1 وH2. مناطق مختلفة من البطارية تعيش بشكل فعال في مناطق زمنية مختلفة، ويتم شحنها بمعدلات مختلفة تمامًا لأن التيار الكهربائي كان يمثل مشكلة. ولكن بعد ذلك ارتفعت درجة الحرارة. عندما كرر الفريق التجربة عند درجة حرارة 100 درجة مئوية، اختفى السلوك الفوضوي ثنائي المرحلتين تمامًا. لقد ساهمت الحرارة في زيادة التوصيل الأيوني للمادة، مما أدى إلى تسهيل التيار وإجبار الليثيوم على السير بشكل مثالي وموحد. وفي الوقت نفسه، ظل إطار الإلكتروليت الصلب جيدًا تمامًا، ولم تظهر عليه أي علامات للتدهور. ظل المنحل بالكهرباء الصلب مستقرًا من الناحية الهيكلية طوال الاختبار بأكمله، وهي علامة مشجعة على قابلية بقاء بطاريات الحالة الصلبة القائمة على الكبريتيد على المدى الطويل. يوفر هذا الاكتشاف لمهندسي البطاريات مقياسًا دقيقًا للأداء. لقد وضعت خارطة طريق لمستقبل تصميم السيارات الكهربائية بحيث يمكن حل الاختناقات المرورية الداخلية داخل القطب من خلال الإدارة الحرارية المستهدفة والتوصيل الأمثل. ونشرت الدراسة في مجلة مواد الطاقة المتقدمة.
تم النشر: 2026-07-13 14:40:00
