الخلفية:
حقق باحثون في معهد تشينغداو للطاقة الحيوية وتكنولوجيا المعالجة الحيوية، التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، إنجازًا كبيرًا في بطاريات الليثيوم الصلبة بالكامل، مما قد يحقق حلم الأجهزة الإلكترونية الأصغر حجمًا مع عمر بطارية أطول. نُشر هذا التطور في المجلة الأكاديمية الدولية Nature Energy في 31 يوليو.
تخزن بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الإلكترونية الأخرى الطاقة وتطلقها في الغالب عبر إلكتروليتات سائلة. يستكشف العلماء الآن نوعًا جديدًا من البطاريات - بطاريات الليثيوم الصلبة بالكامل. تستخدم هذه البطاريات إلكتروليتات صلبة بدلاً من السوائل، مما يجعلها أكثر أمانًا بشكل ملحوظ.
في حين أن بطاريات الليثيوم الصلبة بالكامل تبدو مثالية، إلا أن تطويرها يواجه تحديات. في المقام الأول، تجعل الخصائص الكيميائية والفيزيائية المختلفة للمواد داخل قطب البطارية السالب التوافق التام أمرًا صعبًا، مما يؤدي إلى مشكلات متعددة في الواجهة تضر بكثافة الطاقة والعمر الافتراضي. لمعالجة ذلك، طور فريق البحث مادة جديدة: مادة قطب سالب متجانسة (فوسفوسيلينيد الليثيوم والتيتانيوم والجرمانيوم).
بالمقارنة مع المواد التقليدية، توفر هذه المركبة مزايا تشمل الموصلية الكهربائية العالية، وكثافة الطاقة العالية، وعمر الخدمة الممتد:
موصلية كهربائية عالية:تُظهر هذه المادة الجديدة موصلية أيونية وإلكترونية عالية، متجاوزةً مواد البطاريات التقليدية (أقطاب الأكسيد الطبقية) بأكثر من 1000 ضعف. يتيح ذلك عمليات الشحن والتفريغ السلسة دون الاعتماد على الإضافات الموصلة، مما يعزز بشكل كبير الأداء العام للبطارية.
سعة تفريغ عالية:تُظهر المادة الجديدة سعة تفريغ عالية تبلغ 250 مللي أمبير في الساعة لكل جرام، متجاوزةً مواد القطب السالب عالية النيكل المستخدمة حاليًا. عند الوزن أو الحجم المكافئ، يمكن للبطاريات التي تتضمن هذه المادة تخزين طاقة كهربائية أكبر. هذا لا يتيح فقط تشغيلًا مستمرًا لفترة أطول دون إعادة الشحن المتكرر، وبالتالي تعزيز القدرة على التحمل، ولكنه يقلل أيضًا من حجم البطارية، مما يسهل تصميم أجهزة أكثر إحكاما.
تغير حجم منخفض:أثناء دورات الشحن والتفريغ، تُظهر المادة الجديدة تغيرًا في الحجم يبلغ 1.2٪ فقط، وهو أقل بكثير من 50٪ الملاحظة في مواد القطب السالب للأكسيد الطبقية التقليدية. يساعد هذا التغير الطفيف في الحجم على الحفاظ على الاستقرار الهيكلي، وبالتالي إطالة العمر التشغيلي للبطارية.
كثافة طاقة عالية:تحقق بطاريات الليثيوم الصلبة بالكامل التي تستخدم هذه المادة الجديدة كثافة طاقة تبلغ 390 واط/كجم، مما يمثل زيادة قدرها 1.3 ضعف عن بطاريات الليثيوم الصلبة بالكامل ذات الدورة الطويلة المبلغ عنها سابقًا.
عمر خدمة ممتد:تحقق بطاريات الليثيوم الصلبة بالكامل التي تستخدم هذه المادة أكثر من 10000 دورة. بعد 5000 دورة شحن، تحتفظ البطارية بـ 80٪ من سعتها الأولية، مما يوفر طاقة وافرة لفترات طويلة.
يوفر هذا البحث دعمًا فنيًا حاسمًا لتطوير أجهزة تخزين الطاقة عالية الكثافة وطويلة العمر، مما يوفر مصادر طاقة آمنة ومتينة لمركبات الطاقة الجديدة، وشبكات تخزين الطاقة، ومعدات أعماق البحار/الفضاء السحيق. إنه يحمل آثارًا كبيرة على تطوير أنظمة تخزين الطاقة الجديدة.