العلماء يحلون لغزًا خفيًا لتشقق البطارية مما يؤدي إلى تقصير العمر الافتراضي وزيادة خطر الحريق

أظهرت دراسة جديدة أن مواد البطاريات أحادية البلورة الواعدة تتحلل لأسباب لم يتعرف عليها العلماء بشكل كامل من قبل.

العلماء في مختبر أرجون الوطني و مدرسة UChicago Pritzker للهندسة الجزيئية (UChicago PME) لقد حددوا مصدر مشكلة طويلة الأمد في أداء البطارية والتي تم ربطها بتضاؤل ​​القدرة، وانخفاض العمر الافتراضي، وفي حالات نادرة، مخاطر السلامة مثل الحريق.

الإبلاغ عن النتائج التي توصلوا إليها في تكنولوجيا النانو الطبيعةيصف فريق البحث كيف يمكن أن تتراكم الضغوط الميكانيكية الصغيرة للغاية داخل بعض مواد البطاريات الحديثة، مما يؤدي في النهاية إلى تشققها. وتحدد الدراسة أيضًا الأساليب العملية لتقليل هذا الضرر في تصميمات البطاريات المستخدمة على نطاق واسع للسيارات الكهربائية وغيرها من التقنيات المتقدمة.

قال أحد المؤلفين خليل أمين، زميل أرجون المتميز والأستاذ المشارك في جامعة شيكاغو: “إن كهربة المجتمع تحتاج إلى مساهمة الجميع. إذا كان الناس لا يثقون في أن البطاريات آمنة وطويلة الأمد، فلن يختاروا استخدامها”.

من المعروف منذ فترة طويلة أن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية التي تعتمد على مواد غنية بالنيكل متعدد البلورات (PC-NMC) في كاثوداتها تعاني من التشقق. ولمعالجة هذه المشكلة، حول العديد من الباحثين اهتمامهم مؤخرًا إلى أكاسيد الطبقات الغنية بالنيكل أحادية البلورة (SC-NMC). ومع ذلك، فإن هذه المواد الأحدث لم تقدم باستمرار التحسينات المتوقعة في المتانة أو الأداء.

الدراسة الجديدة، بقيادة المؤلف الأول جينغ وانغ أثناء عملها للحصول على درجة الدكتوراه في UChicago PME من خلال برنامج GRC وأشرف عليها مختبر البروفيسور شيرلي مينج لتخزين وتحويل الطاقة جنبًا إلى جنب مع فريق أمين لتكنولوجيا البطاريات المتقدمة، حددت السبب. ووجد الباحثون أن قواعد التصميم التي تم تطويرها للكاثودات متعددة البلورات تم تطبيقها على المواد أحادية البلورة، على الرغم من أن الاثنين يتصرفان بشكل مختلف في ظل ظروف التشغيل.

من خلال برنامج GRC وشبكة انتقال الطاقة التابعة لـ UChicago، تمكن وانغ من العمل بشكل وثيق مع علماء المختبر الوطني وشركاء الصناعة لمواصلة المشاريع الهندسية المتغيرة للعالم.

قال وانغ، وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه يعمل مع جامعة شيكاغو وأرغون: “عندما يحاول الناس الانتقال إلى كاثودات أحادية البلورة، فإنهم يتبعون مبادئ تصميم مماثلة لتلك الموجودة في الكاثودات متعددة البلورات”. “يحدد عملنا أن آلية التحلل الرئيسية للجسيمات أحادية البلورة تختلف عن تلك متعددة البلورات، مما يؤدي إلى متطلبات تكوين مختلفة.”

لم تتحدى الدراسة التصميم التقليدي فحسب، بل تتحدى أيضًا المواد المستخدمة، مما يعيد تعريف أدوار الكوبالت والمنجنيز في الفشل الميكانيكي للبطاريات.

وقال منغ، وهو أيضًا مدير تحالف أبحاث تخزين الطاقة (ESRA) ومقره في أرجون: “ليست هناك حاجة إلى استراتيجيات تصميم جديدة فحسب، بل ستكون هناك حاجة أيضًا إلى مواد مختلفة لمساعدة بطاريات الكاثود أحادية البلورة على الوصول إلى إمكاناتها الكاملة”. “من خلال فهم أفضل لكيفية تحلل الأنواع المختلفة من مواد الكاثود، يمكننا المساعدة في تصميم مجموعة من مواد الكاثود عالية الأداء لتلبية احتياجات العالم من الطاقة.”

لغز تكسير

أثناء شحن وتفريغ بطارية الكاثود متعددة البلورات، تنتفخ الجسيمات الأولية الصغيرة والمكدسة وتتقلص. هذا التوسع والانكماش المتكرر يمكن أن يؤدي إلى توسيع حدود الحبوب التي تفصل بين البلورات المتعددة، على غرار الطريقة التي يؤدي بها التجميد والذوبان المتكرر إلى إحداث الحفر في شوارع المدينة.

وقال وانغ: “عادة، ستعاني من توسع أو انكماش في الحجم يتراوح بين 5 إلى 10%”. “بمجرد أن يتجاوز التوسع أو الانكماش حدود المرونة، فإنه سيؤدي إلى تشقق الجسيمات.”

إذا اتسعت الشقوق كثيرًا، يمكن أن يدخل الإلكتروليت، مما قد يؤدي إلى تفاعلات جانبية غير مرغوب فيها وإطلاق الأكسجين الذي يمكن أن يثير مخاوف تتعلق بالسلامة، بما في ذلك خطر الهروب الحراري. ولكن باستثناء هذه الظروف الدراماتيكية، فإن التأثير اليومي يتمثل في تدهور القدرة – حيث تتلاشى البطاريات بمرور الوقت، وتصبح غير قادرة على نحو متزايد على توصيل نفس الشحن الذي كانت تفعله عندما كانت جديدة.

نظرًا لأنها ليست مصنوعة من العديد من البلورات المكدسة، فإن مواد الكاثود أحادية البلورة لا تحتوي على تلك الحدود الحبيبية الأولية. لكنهم كانوا لا يزالون مهينين.

أظهر بحث UChicago PME-Argonne الجديد أن تبديل المواد لم يكن بسيطًا مثل تبديل جزء جديد.

قال مؤلف آخر، تونجشاو ليو، الكيميائي في أرجون: “لقد أثبتنا أن التحلل في كاثودات NMC أحادية البلورة يحكمه في الغالب وضع فشل ميكانيكي متميز”. “من خلال تحديد هذه الآلية التي لم تحظى بالتقدير سابقًا، ينشئ هذا العمل رابطًا مباشرًا بين تكوين المواد ومسارات التحلل، مما يوفر رؤية أعمق لأصول تسوس الأداء في هذه المواد.”

وباستخدام تقنيات الأشعة السينية السنكروترونية متعددة النطاق والمجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة، اكتشفوا أن التشقق في الكاثودات أحادية البلورة يكون مدفوعًا في المقام الأول بعدم تجانس التفاعل. كانت الجسيمات تخضع لتفاعلات بمعدلات مختلفة، مما لا يسبب إجهادًا بين العديد من البلورات كما هو الحال مع التصاميم متعددة البلورات، ولكن داخل واحد.

حلول مختلفة

الكاثودات متعددة البلورات هي عبارة عن عملية موازنة للنيكل والمنغنيز والكوبالت. يتسبب الكوبالت في الواقع في حدوث تشققات، ولكنه كان ضروريًا للتخفيف من مشكلة منفصلة تسمى اضطراب Li/Ni.

من خلال بناء واختبار بطارية واحدة من النيكل والكوبالت (بدون منغنيز) وبطارية واحدة من النيكل والمنغنيز (بدون كوبالت)، وجد الفريق أن العكس هو الصحيح بالنسبة للكاثودات أحادية البلورة. كان المنغنيز أكثر ضررًا من الناحية الميكانيكية من الكوبالت، وقد ساعد الكوبالت في الواقع على بقاء البطاريات لفترة أطول.

ومع ذلك، فإن الكوبالت أغلى من النيكل أو المنغنيز. وقال وانغ إن الخطوة التالية للفريق لتحويل هذا الابتكار المعملي إلى منتج حقيقي هو العثور على مواد أقل تكلفة تحاكي نتائج الكوبالت الجيدة.

قال أمين: “التقدم يأتي في دورات”. “أنت تحل مشكلة، ثم تنتقل إلى المشكلة التالية. إن الأفكار الموضحة في هذه الورقة التعاونية ستساعد الباحثين المستقبليين في Argonne وUCChicago PME وأماكن أخرى على إنشاء مواد أكثر أمانًا وأطول عمرًا لبطاريات الغد.”

المرجع: “تطور السلالة النانوية في الأقطاب الكهربائية الإيجابية للبطارية أحادية البلورة” بقلم جينغ وانغ، تونغشاو ليو، وييوان هوانغ، لي يو، هاوزي تشانغ، تاو تشو، تيان يي لي، شياو جينغ هوانغ، شيانغوي شياو، لو ما، مارتن في. خليل أمين، 16 ديسمبر 2025، تكنولوجيا النانو الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41565-025-02079-9

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.