بطارية خزفية صلبة جديدة للاستخدام العسكري وتكنولوجيا الفضاء تتحمل حرارة تصل إلى 302 درجة فهرنهايت
قام فريق بحث بقيادة جامعة تسينغهوا في الصين بتطوير بطارية ليثيوم أيون صلبة صغيرة مصنوعة بالكامل من السيراميك (ACMLB) مصممة لتشغيل الإلكترونيات المصغرة بأمان في البيئات القاسية. يتعامل مع الحرارة الشديدة دون أن يتعرق. ووفقا للدراسة، تعمل هذه القوى الصغيرة بشكل لا تشوبه شائبة في درجات حرارة تصل إلى 150 درجة مئوية (302 درجة فهرنهايت). ويمكنه أيضًا النجاة من الصدمات الحرارية المفاجئة التي تصل إلى 300 درجة مئوية (572 درجة فهرنهايت) لمدة 20 ثانية. وأشار الباحثون في ورقة الدراسة إلى أن “ACMLBs تُظهر أداءً كهروكيميائيًا رائعًا على نطاق واسع من درجات الحرارة (0 درجة مئوية إلى 150 درجة مئوية)”. وأضافت أيضًا أن هذه البطاريات “توفر عدم قابلية للاشتعال وأمانًا عاليًا، وتوفر حل طاقة موثوقًا وعالي الأداء للأجهزة الإلكترونية المصغرة التي يمكن ارتداؤها”. بطارية مقاومة للحرارة تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون القياسية على نطاق واسع نظرًا لكثافة طاقتها العالية، ولكن إلكتروليتات السائل المتطاير تشكل قابلية شديدة للاشتعال ومخاطر الانفجار عند تعرضها للحرارة العالية أو الأضرار المادية. يحد خطر السلامة هذا من استخدامها في البيئات القاسية مثل معدات الطيران والتطبيقات العسكرية وأجهزة استشعار إنترنت الأشياء الصناعية (IoT). توفر بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة بديلاً غير قابل للاشتعال عن طريق استبدال السوائل بالوسائط الصلبة، ولكن تطوير إصدارات مصنوعة بالكامل من السيراميك للأجهزة المصغرة كان أمرًا صعبًا. ويرجع ذلك إلى مقايضة قوة السُمك، حيث يؤدي جعل طبقات السيراميك رفيعة بدرجة كافية للإلكترونيات الدقيقة إلى إضعاف القوة الهيكلية بشدة. ولإصلاح هذه المشكلة، استخدم فريق تسينغهوا خدعة تصنيعية رائعة: تكديس طبقات سيراميك متعددة. يحل التراص متعدد الطبقات المشكلة الهندسية الكلاسيكية الخاصة بإلكتروليتات الأكسيد: مما يجعلها رقيقة بما يكفي لكثافة طاقة عالية مع إبقائها قوية بما يكفي لمنع الأعطال الميكانيكية. تعمل بنية التراص هذه أيضًا على زيادة سعة الخلايا الفردية. أثناء عملية التلبيد المشترك (تسخين المواد معًا)، تتشكل طبقة كيميائية مخصصة بشكل طبيعي عند الحدود. ملأت هذه الطبقة المجهرية كل فجوة داخلية، وألصقت البطارية معًا بينما سمحت لأيونات الليثيوم بالتسابق من خلالها. الاستخدام في الأجهزة المصغرة، تعمل هذه العملية على إنشاء بطارية قابلة للتخصيص بدرجة كبيرة وقابلة للتكديس ويمكن ضبطها بسهولة لتناسب الأجهزة المختلفة مع الحفاظ على استقرارها التام عبر نطاق من درجات الحرارة. تعمل البطارية الخزفية المصممة حديثًا عند درجة حرارة 150 درجة مئوية، وهي درجة حرارة من شأنها أن تتسبب في تضخم بطارية الهاتف الذكي العادية أو تمزقها أو انفجارها في حريق كيميائي في غضون دقائق. أثناء اختبار درجة حرارة الغرفة، أثبتت البطارية ثباتها العالي، حيث حافظت على أكثر من 76 بالمائة من سعتها الأصلية بعد 100 دورة شحن مع الحفاظ على خرج طاقة ثابت. أوضحت ورقة البحث من الناحية الفنية: “أظهر ACMLB ذو 10 توازيات والذي تم إخضاعه لركوب الدراجات على المدى الطويل في درجة حرارة الغرفة عند كثافة تيار تبلغ 50 ميكرو أمبير سم -2 قدرة أولية تبلغ 105 ميكرو أمبير، مع الاحتفاظ بـ 80 ميكرو أمبير بعد 100 دورة، وهو ما يتوافق مع معدل الاحتفاظ بالقدرة بنسبة 76.2٪.” ومن المثير للاهتمام أنها لا تتطلب أي ضغط خارجي للحفاظ على شكلها. والأفضل من ذلك، أنه يمكن تصنيعه في الهواء العادي بدلاً من مختبر فراغي باهظ الثمن ومحكم الغلق، مما يقلل تكاليف الإنتاج المحتملة. وأشارت الدراسة إلى أنها “غير قابلة للاحتراق تمامًا وتحافظ على السلامة الهيكلية في ظل الاحتراق الخارجي المستمر وتتمتع بثبات حراري ممتاز في الهواء، وتتفوق بشكل كبير على البطاريات التي تحتوي على سائل أو بوليمر أو إلكتروليتات مركبة من حيث السلامة”. وفي المستقبل، يعتقد الباحثون أن هذا الابتكار لديه القدرة على تسريع تسويق إلكترونيات الحالة الصلبة بالكامل للأجهزة المصغرة والقابلة للارتداء. إن كثافة الطاقة العالية وخصائص السلامة غير القابلة للاشتعال تجعلها مثالية لتقنيات الجيل التالي، بما في ذلك أجهزة الاستشعار الذكية وأدوات الفضاء والتطبيقات العسكرية. ونشرت النتائج في مجلة المسألة.
تم النشر: 2026-06-25 12:33:00
