أخبار ar.wedoany.com، تمكن فريق بحثي بقيادة الأستاذ المشارك بالاني بالايا من قسم الهندسة الميكانيكية في كلية التصميم والهندسة بجامعة سنغافورة الوطنية، من حل التحديات الرئيسية المتعلقة بالسلامة والأداء في بطاريات الصوديوم الصلبة بالكامل، وذلك باستخدام مادة مضافة منخفضة التكلفة من نيتريد الكربون الجرافيتي (GCN). يوفر هذا الإنجاز مسارًا قابلاً للتوسع نحو تحقيق بطاريات صوديوم صلبة بالكامل آمنة واقتصادية، وقد نُشرت الدراسة ذات الصلة في دورية "Advanced Functional Materials".
يدفع التوزيع غير المتكافئ لموارد الليثيوم عالميًا وارتفاع تكاليفه، الصناعة إلى البحث عن بدائل. تبلغ وفرة الصوديوم في القشرة الأرضية حوالي 1000 ضعف وفرة الليثيوم، ويمكن استخراجه من مياه البحر، مما يجعله خيارًا مثاليًا لتخزين الطاقة على مستوى الشبكات الكهربائية. ومع ذلك، تعتمد معظم بطاريات أيونات الصوديوم على إلكتروليتات سائلة قابلة للاشتعال، مما يشكل مخاطر على السلامة. يمكن للإلكتروليتات البوليمرية الصلبة أن تزيل هذه المخاطر، لكنها تعاني من بطء توصيل أيونات الصوديوم وعدم استقرار التلامس مع أنود الصوديوم المعدني، مما يؤدي بسهولة إلى تكوين تشعبات (ديندريتات) تسبب قصر الدائرة.
أضاف الفريق البحثي مادة GCN إلى غشاء إلكتروليت بوليمري مصنوع من أكسيد البولي إيثيلين وملح الصوديوم. GCN هي مادة غنية بالنيتروجين، يتم تصنيعها عن طريق تسخين اليوريا في الهواء إلى 550 درجة مئوية، لتشكيل صفائح يبلغ سمكها حوالي نانومترين. تعمل المساحة السطحية العالية لـ GCN على تثبيط ميل البوليمر لتكوين مناطق بلورية صلبة، مما يعزز تكوين مناطق غير منتظمة ومرنة، مما يسمح لأيونات الصوديوم بالتحرك بحرية أكبر؛ وفي الوقت نفسه، تعمل مواقع النيتروجين النشطة على سطحها على سحب أيونات الصوديوم بعيدًا عن أملاح الصوديوم المقابلة لها، مما يحرر المزيد من حاملات الشحنة. يؤدي هذا التأثير المشترك إلى مضاعفة الموصلية الأيونية للإلكتروليت عند درجة حرارة 55 درجة مئوية بأكثر من الضعف، ورفع رقم النقل الأيوني من 0.19 إلى 0.51، مما يقلل من الاستقطاب ويزيد الكفاءة.
تعمل المادة المضافة GCN أيضًا على تغيير الواجهة بين الإلكتروليت وأنود الصوديوم المعدني. تبلغ قوة هذا البوليمر المركب ثلاثة أضعاف قوة البوليمر غير المعدل، مما يمنع فعليًا اختراق التشعبات. في الوقت نفسه، تعزز المادة المضافة تكوين طبقة واقية قاعدية غنية بالمواد غير العضوية على سطح الأنود، لتوجيه ترسب الصوديوم بشكل منتظم وتثبيط التفاعلات الجانبية. عند كثافة تيار تبلغ 0.1 مللي أمبير/سم²، عمل الإلكتروليت المعدل بثبات لمدة 1000 ساعة دون حدوث قصر في الدائرة، بينما تعرض الإلكتروليت غير المعدل لقصر الدائرة خلال 250 ساعة؛ وعند كثافة تيار تبلغ 0.2 مللي أمبير/سم²، عمل الإلكتروليت المعدل لأكثر من 2000 ساعة دون أي عطل.
قام الفريق البحثي بتجميع بطارية صلبة بالكامل باستخدام كاثود من فوسفات الفاناديوم والصوديوم المطلي بالكربون والمشوب بالزنك، وأنود من معدن الصوديوم لتقييم الأداء. عند معدل شحن/تفريغ 0.5C، حافظت البطارية على 95% من سعتها بعد 500 دورة، بكفاءة كولوم تبلغ حوالي 99.97%، وتمكنت من تحمل معدلات تصل إلى 2C، واستعادت 99% من سعتها بعد العودة إلى معدل أقل. كما قام الباحثون ببناء بطارية كيسية أحادية الطبقة، استمرت في تشغيل صمام ثنائي باعث للضوء (LED) أثناء طيها وفردها وحتى قطعها، دون حدوث قصر في الدائرة.
يمثل هذا النظام الصلب بالكامل أحدث نتائج مشروع أبحاث بطاريات أيونات الصوديوم في كلية التصميم والهندسة بجامعة سنغافورة الوطنية. كما طور الفريق إلكتروليتات سائلة غير قابلة للاشتعال تتحمل التعرض المباشر للهب لمدة 60 ثانية، وتحافظ على ثباتها عند درجات حرارة تصل إلى 270 درجة مئوية؛ بالإضافة إلى تطوير إلكتروليتات مثبطة للهب وكاثودات أكسيدية طبقية مقاومة للرطوبة. يعمل الفريق حاليًا على تحسين بطاريات الصوديوم الصلبة لتحقيق تشغيل مستقر قريب من درجة حرارة الغرفة، بهدف تحقيق أداء مستقر عند 45 درجة مئوية، مع تطوير بنية صلبة ثنائية القطب لزيادة كثافة الطاقة.
تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com
