معهد تشينغداو للطاقة التابع للأكاديمية الصينية للعلوم يطور أنود سبيكة معدنية لبطارية صلبة بالكامل يمكن شحنها وتفريغها في 72 ثانية

أخبار ar.wedoany.com، طرح فريق البحث بقيادة وو جيان فاي من معهد تشينغداو للطاقة الحيوية وعمليات الطاقة الحيوية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم مفهوم تصميم شبكة التوصيل المشترك للإلكترونات والأيونات، مما يوفر نموذجًا جديدًا لتصميم المواد لكسر عنق الزجاجة في الشحن فائق السرعة للبطاريات الصلبة بالكامل.

تُعتبر بطاريات الكبريتيد الصلبة بالكامل، بفضل كثافتها العالية للطاقة وسلامتها الممتازة، اتجاهًا مهمًا لتطوير الجيل القادم من بطاريات الطاقة، كما أنها تمثل نقطة ارتكاز استراتيجية في المنافسة العالمية على تقنيات الطاقة الجديدة. أثناء عمليات الشحن والتفريغ بمعدلات عالية، تترابط مشاكل مثل بطء نقل الإلكترونات في الأنود، ومحدودية انتشار أيونات الليثيوم، والتدهور المستمر للواجهة الصلبة-الصلبة، ونمو التشعبات، مما يقيد بشدة أداء المعدل وعمر الدورة للبطاريات الصلبة بالكامل، ويشكل عنق الزجاجة العلمي الرئيسي في هذا المجال.

لمواجهة هذا التحدي، اقترح فريق البحث في معهد تشينغداو للطاقة استراتيجية تصميم شبكة التوصيل المشترك للإلكترونات والأيونات (EICN)، وطوّر أنود سبيكة رباعية جديدة من Li–Al–Si–Zn (ASZ@Li). يتكون أنود السبيكة هذا من أطوار متعددة: ألومنيوم الليثيوم، زنك الليثيوم، وسيليكون الليثيوم. يشكل طور ألومنيوم الليثيوم مسارات مستمرة لنقل الإلكترونات؛ ويظهر طور زنك الليثيوم ألفة عالية جدًا لليثيوم، ليعمل كقنوات سريعة وموحدة لنقل أيونات الليثيوم؛ بينما تكون منطقة السيليكون الغنية مسؤولة عن تخزين الليثيوم بشكل عكسي وامتصاص التغيرات الحجمية. يحقق التآزر بين هذه الأطوار الثلاثة تكاملًا بين التوصيل الإلكتروني، ونقل الأيونات، والاستقرار الهيكلي. بالإضافة إلى ذلك، يُظهر أنود السبيكة هذا استقرارًا كيميائيًا وكهروكيميائيًا ممتازًا تجاه إلكتروليت الكبريتيد، مما يلغي الحاجة إلى بناء طبقة حماية واقية اصطناعية للواجهة الصلبة-الصلبة، وبالتالي يبسط تصميم الواجهة وعملية التصنيع للبطاريات الصلبة بالكامل.

بفضل تصميم هيكل EICN، أظهرت البطارية الصلبة بالكامل، عند إقران أنود سبيكة ASZ@Li مع كاثود عالي النيكل Ni90، أداءً عاليًا للمعدل عند درجة حرارة 55 درجة مئوية، حيث استغرقت 72 ثانية فقط لإكمال دورة شحن وتفريغ كاملة واحدة، وحافظت على سعة عالية بعد آلاف الدورات، مما يشير إلى إمكاناتها للتطبيق العملي.

من خلال مزيد من البحث، تمكن الفريق العلمي من توضيح آلية العمل العميقة لشبكة التوصيل المشترك للإلكترونات والأيونات. وجدت الدراسة أن إضافة الألومنيوم تعزز بشكل فعال قدرة المادة على التوصيل الإلكتروني، بينما يعزز الزنك ألفة المادة لليثيوم ويخفض حاجز هجرة أيونات الليثيوم، ويعملان معًا على تحقيق النقل السريع والمشترك للإلكترونات وأيونات الليثيوم.

أوضح الباحث وو جيان فاي من معهد تشينغداو للطاقة أن هذا التصميم يقلل بشكل أساسي من مقاومة الواجهة، ويمنع تحلل إلكتروليت الكبريتيد ويحافظ على بنية واجهة مستقرة، مما يعزز استقرار دورة البطارية الصلبة بالكامل في ظل ظروف المعدل العالي.