حقق باحثون من مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وجامعة شيكاغو اختراقاً جديداً، حيث وجدوا طريقة لتعزيز كثافة الطاقة وعمر دورة البطاريات الصلبة بالكامل. نُشرت النتائج ذات الصلة في مجلة "ساينس"، ممثلة خطوتين حاسمتين نحو التطبيق التجاري لتقنية البطاريات الجديدة.

تتكون البطاريات الصلبة بالكامل من مكونات صلبة ولا تحتوي على مواد سائلة أو هلامية، مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية، تتميز بتحسين السلامة، ووزن أخف، وعمر أطول، وكثافة طاقة أعلى. ومع ذلك، فإن الاتصال الضعيف بين إلكتروليت الحالة الصلبة ومواد الكاثود يعيق تدفق الأيونات ويؤثر على الأداء، مما يجعل مشاكل الواجهة تحدياً في تطوير البطاريات الصلبة بالكامل.

قال خليل أمين، الباحث البارز في أرغون وأستاذ في جامعة شيكاغو: "إن معالجة مشاكل الواجهة في البطاريات الصلبة هي مفتاح تحقيق هذا النظام الواعد." قاد أمين وعالم الكيمياء في أرغون، جو لي شي، فريقاً قام بتحفيز عملية "فصل الهاليد" من خلال الخلط السريع لإلكتروليت الحالة الصلبة والكاثود ومواد البطارية الأخرى. في هذه العملية، تتحرك ذرات الليثيوم المرتبطة بعناصر مثل الكلور نحو الواجهة، مما يؤدي إلى تحسين ملحوظ في أداء البطارية وإطالة عمرها، متفوقةً على البطاريات الصلبة بالكامل المعالجة باستراتيجيات تعزيز أداء أخرى.

في بعض ظروف الاختبار، تجاوزت كثافة طاقة بطارية فصل الهاليد الحد الأقصى النظري لهذا النوع من البطاريات. حافظت البطارية على أدائها الكامل بعد 100 دورة شحن وتفريغ، وبقيت فوق 80٪ بعد 450 دورة. يعد التحسين في الأداء في درجة حرارة الغرفة دون الحاجة إلى تسخين إضافي أكثر ملاءمة للتطبيقات التجارية. يعتقد الفريق أن الخلط عالي السرعة (2000 دورة في الدقيقة لمدة خمس ساعات) يولد حرارة وقوى قص، مما يؤدي إلى "تفاعل كيميائي ميكانيكي" يحفز فصل الهاليد ويحسن حركة أيونات الليثيوم.

يمكن لهذه العملية أيضاً تحسين أداء أنواع أخرى من البطاريات الصلبة بالكامل. اختبر الفريق بطاريات تحتوي على كاثودات من السيلينيوم والتيلوريوم، ووجدوا تأثير فصل هاليد مماثلاً مع أداء أفضل بعد الخلط عالي السرعة، مما يبشر بتسويق هياكل كيميائية متنوعة للبطاريات. لمراقبة فصل الهاليد على المستوى الذري، استخدم الفريق تقنيات متقدمة متعددة. قال جو لي شي: "يمثل هذا العمل تقدماً كبيراً في هذا النوع من أنظمة البطاريات، خاصة من خلال الاستفادة من الكبريت المتوفر بكثرة في الأرض، مما يعزز بشكل كبير كثافة الطاقة وعمر الدورة والتكلفة."