جامعة ووهان للتكنولوجيا الصينية تطور كاثودًا لبطاريات أيون الصوديوم يحافظ على 96.7% من السعة بعد 300 دورة

أخبار ar.wedoany.com، قام فريق بحثي من جامعة ووهان للتكنولوجيا بالتعاون مع جامعة شيان جياوتونغ بتقليل مشكلة تشقق الحبيبات البلورية في بطاريات أيون الصوديوم أثناء دورات الشحن والتفريغ من خلال ضبط الشكل الحبيبي لكاثود الأكسيد الطبقى. استندت الدراسة إلى مادة P2-Na0.75Ni0.25Mn0.75O2، حيث تم تصنيع حبيبات بلورية منشورية أرق عبر تقصير البعد المحوري c، مما مكّن من تحرير إجهاد الشبكة البلورية بشكل أكثر كفاءة وتقليل تركيز الإجهاد. أظهر الكاثود المُحسَّن معدل احتفاظ بالسعة بلغ 96.7% بعد 300 دورة عند معدل شحن 5C، مما يوفر مسارًا لتصميم البنية المجهرية لتحسين العمر الافتراضي لبطاريات أيون الصوديوم.

تُستخدم بطاريات أيون الصوديوم بشكل متزايد في تطبيقات تخزين الطاقة واسعة النطاق، نظرًا لوفرة موارد الصوديوم وانتشارها الواسع وتوافقها مع أنظمة كيميائية منخفضة التكلفة للبطاريات. تُعد أكاسيد المعادن الانتقالية الطبقية مادة كاثود واعدة لبطاريات أيون الصوديوم، إذ تتميز بسعة عالية وقابلية توسع جيدة، غير أن استقرارها الميكانيكي يمثل نقطة ضعف. فعند إدراج أيونات الصوديوم وإخراجها بشكل متكرر، تتمدد الشبكة البلورية وتنكمش بشكل غير منتظم على طول المحور c، مما يؤدي إلى تركز الإجهاد داخل الحبيبات البلورية وإحداث تشققات، وتعمل الأسطح الجديدة المكشوفة على تسريع التفاعلات الجانبية وتدهور السعة عند ملامستها للإلكتروليت. لذلك، يُعد تحرير الإجهاد على مستوى البنية المجهرية اتجاهًا عمليًا لتحسين استقرار الكاثود.

قادت هذه الدراسة جامعة ووهان للتكنولوجيا (Wuhan University of Technology) بمشاركة جامعة شيان جياوتونغ (Xi'an Jiaotong University)، ونُشرت عبر الإنترنت في 20 مايو 2026 في مجلة eScience Energy. ركزت الدراسة على تأثير ضبط البعد المحوري c على تطور الإجهاد في كاثود أكسيد الصوديوم والنيكل والمنغنيز الطبقي من النوع P2 (Na0.75Ni0.25Mn0.75O2). أظهرت النتائج أن الحبيبات البلورية الأرق تقلل من تراكم الانفعال، وتحسّن تبديد الإجهاد، وتكبح التشققات الداخلية، وتطيل الاستقرار الدوري للبطارية.

أعدّ فريق البحث عينة NaNMO ذات مورفولوجيا مضبوطة (MT-NaNMO) وعينة مقارنة بنفس التركيب الكيميائي (C-NaNMO) لعزل تأثير الشكل الهندسي للحبيبات. أكدت تحليلات حيود الأشعة السينية (XRD) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن كلا المادتين تحتفظان بالبنية الطبقية من النوع P2. تشكلت في MT-NaNMO حبيبات أولية منشورية بسماكة حوالي 200 نانومتر على طول المحور c، بينما بلغت حبيبات C-NaNMO حوالي 800 نانومتر. أظهر حيود الأشعة السينية في الموقع (in-situ XRD) أن التغيرات في أبعاد الشبكة البلورية أثناء الشحن والتفريغ متشابهة في العينتين، وأن الفرق الجوهري يكمن في طريقة تراكم الإجهاد. أظهر المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة (HRTEM) مع تحليل الطور الهندسي (GPA) أن MT-NaNMO تتميز بخطوط شبكية مستقرة ومجال انفعال منتظم، بينما أظهرت C-NaNMO تشوهًا شبكيًا وانفعالًا موضعيًا. أظهر تحليل العناصر المحدودة (FEA) أيضًا أن تقليل البعد المحوري c يؤدي إلى توزيع أكثر انتظامًا للإجهاد. أظهرت نتائج مطيافية المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) واختبارات الدورات أن MT-NaNMO تتمتع بنقل أسرع لأيونات الصوديوم ومقاومة أقل واستقرار طويل الأمد أفضل.

يرى فريق البحث أن هذا العمل يقدم نهجًا للنظر في فشل البطارية قبل ظهور الضرر المرئي. تخضع الأكاسيد الطبقية لحركة "تنفس" متكررة أثناء تخزين أيونات الصوديوم، حيث تؤدي الحبيبات الأكثر سماكة إلى تراكم الانفعال تدريجيًا حتى تكوّن التشققات، بينما يؤدي تقصير الاتجاه الأكثر تركيزًا للإجهاد إلى تمكين المادة من تحرير الإجهاد في وقت أبكر وبشكل أكثر انتظامًا. يمكن لهذا المبدأ أن يوفر مرجعًا ميكانيكيًا لتصميم الكاثودات إلى جانب ضبط التركيب الكيميائي، مما يساعد في بناء بطاريات أيون الصوديوم ذات استقرار دوري طويل الأمد.

لنتائج الدراسة أهمية عملية لأنظمة تخزين الطاقة من الجيل التالي. فتقليل حجم الحبيبات الكلي وحده يمكن أن يحسّن تحرير الإجهاد، لكنه قد يزيد من التفاعلات الجانبية السطحية ويخفض كثافة الدمك؛ بينما يركز ضبط المحور c على الاتجاه الأكثر ارتباطًا بإجهاد الشد والتشقق داخل الحبيبات. حقق كاثود MT-NaNMO المُحسَّن كثافة طاقة تبلغ حوالي 218.3 واط ساعة/كجم في بطارية كاملة مقترنة بأنود الكربون الصلب (HC)، مع معدل احتفاظ بالسعة بلغ 92.6% بعد 300 دورة عند معدل 2C. يمكن لهذه الاستراتيجية الموجهة للبنية المجهرية أن توفر بطاريات أيون الصوديوم أكثر موثوقية وأقل تكلفة لتخزين الطاقة المتجددة والتطبيقات على مستوى الشبكة الكهربائية.