اكتشف العلماء أخيرًا سبب قصر دائرة بطاريات الحالة الصلبة

اكتشف الباحثون آلية حاسمة وراء فشل البطاريات في بطاريات الحالة الصلبة، ويقدمون رؤى جديدة يمكن أن تساعد في إطلاق تقنيات تخزين طاقة أكثر أمانًا وأطول أمدًا.

في كل مرة يتم فيها شحن هاتف ذكي أو توصيل سيارة كهربائية، تتحرك مليارات من أيونات الليثيوم عبر البطارية لتخزين الطاقة. يمكن أن تؤدي الأجهزة المستقبلية أداءً أفضل بكثير باستخدام بطاريات الحالة الصلبة، وهي تقنية تعد بهواتف تدوم لفترة أطول، وتخزينًا أكثر أمانًا للطاقة، ومركبات كهربائية قادرة على السفر لمسافات أبعد بشحنة واحدة. ومع ذلك، هناك مشكلة عنيدة منعت هذه البطاريات من الوصول إلى الاتجاه السائد: وهي هياكل صغيرة تسمى التشعبات يمكنها تدمير البطارية من الداخل.

الآن، الباحثون في معهد ماكس بلانك للمواد المستدامة (MPI-SusMat) لقد كشفت بالضبط كيف تؤدي هذه العيوب المجهرية إلى فشل البطارية. النتائج التي توصلوا إليها، نشرت في طبيعة، تقديم رؤية جديدة لأحد أهم التحديات التي تواجه تخزين الطاقة من الجيل التالي.

على عكس بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، التي تعتمد على إلكتروليت سائل لتحريك الأيونات بين الأقطاب الكهربائية، تستخدم بطاريات الحالة الصلبة إلكتروليتًا سيراميكيًا صلبًا. يوفر التخلص من المكون السائل العديد من المزايا. يمكن لتصاميم الحالة الصلبة تخزين المزيد من الطاقة في نفس المساحة من المساحة، وتقليل مخاطر الحريق، والبقاء وظيفية لفترات أطول.

وقد اجتذبت هذه التكنولوجيا اهتماما هائلا من شركات صناعة السيارات وشركات تصنيع الإلكترونيات لأنها يمكن أن تحسن أداء البطارية بشكل كبير. من الناحية النظرية، يمكن للهواتف الذكية أن تستمر لأيام دون شحن، في حين يمكن للسيارات الكهربائية تحقيق نطاق قيادة يصل إلى ثلاثة أضعاف النماذج الحالية.

لماذا يمكن للليثيوم الناعم أن يكسر السيراميك الصلب

وعلى الرغم من هذه المزايا، تواجه بطاريات الحالة الصلبة ضعفًا مفاجئًا. أثناء الشحن، يمكن أن تنمو التشعبات التي تشبه الإبرة من أنود الليثيوم وتمتد إلى المنحل بالكهرباء الصلب. إذا وصلت إلى القطب المعاكس، فإنها تخلق دائرة كهربائية قصيرة يمكنها تعطيل البطارية بسرعة.

ما حير العلماء هو كيف يمكن للليثيوم، وهو معدن ناعم، أن يخترق ويكسر مادة خزفية أكثر صلابة وأكثر صلابة.

وقال الدكتور يوي تشانغ، المؤلف الرئيسي للدراسة ورئيس مجموعة “الميكانيكا الكيميائية لمواد البطارية” في MPI-SusMat: “على الرغم من أن الأقطاب الكهربائية والتشعبات المكونة تتكون من معدن الليثيوم، وهو ناعم مثل الدب الصمغي، إلا أن التشعبات قادرة على اختراق المنحل بالكهرباء السيراميكي وتؤدي إلى ماس كهربائي”.

“كيف يمكن للتشعبات الناعمة أن تكسر السيراميك الصلب القاسي؟ هناك فرضيتان: إما أن يتراكم الضغط الداخلي داخل التشعبات ويؤدي إلى كسر ميكانيكي للإلكتروليت الصلب. أو أن الإلكترونات تتسرب على طول الحدود الحبيبية للإلكتروليت الصلب مما يعزز تكوين نوى الليثيوم التي تترابط فيما بعد.”

لتحديد التفسير الصحيح، طور الباحثون منهجًا تجريبيًا واسع النطاق سمح لهم بدراسة المواد تحت الفراغ وفي درجات حرارة منخفضة. منعت هذه الظروف التلوث بالأكسجين والرطوبة مع تقليل التأثيرات غير المرغوب فيها من الفحص المجهري الإلكتروني.

تم الكشف عن آلية فشل البطارية

قام الفريق بفحص تشعبات الليثيوم المحاصرة داخل الشقوق في المنحل بالكهرباء الخزفي عن كثب. ولم تظهر قياساتهم أي دليل على أن الليثيوم كان يتراكم قبل تقدم قمة التغصنات، وهو اكتشاف يضعف الفرضية الثانية.

وبدلا من ذلك، أشارت النتائج إلى تراكم الضغط داخل التشعبات نفسها.

قال تشانغ: “إن معدن الليثيوم الناعم قادر على اختراق المنحل بالكهرباء الخزفي الصلب، مثل نفاث الماء المستمر الذي يخترق الصخور. لقد حسبنا أن الضغط الهيدروستاتيكي في التغصنات يؤدي إلى كسر هش للإلكتروليت الصلب في النهاية”.

تم دعم النتائج بشكل أكبر من خلال عمليات محاكاة مجال الطور وقياسات حيود التشتت الخلفي للإلكترون.

ومن خلال فهم أفضل لكيفية حدوث التشققات المرتبطة بالتغصنات، يقوم الفريق الآن بالتحقيق في طرق إيقافها. تشمل الحلول المحتملة جعل الإلكتروليت الصلب أكثر مقاومة للتشقق، وإضافة فراغات مجهرية تعيد توجيه نمو التشعبات وتقليل انتشار التشققات، وتطبيق طبقات واقية على أقطاب الليثيوم للحد من تكوين التشعبات.

يقول الباحثون إن هذا العمل يؤكد أهمية فهم كيفية تصرف المواد على المستوى الأساسي عند تطوير تقنيات للاستخدام في العالم الحقيقي.

المرجع: “اختراق Li dendrite المدفوع ميكانيكيًا في المنحل بالكهرباء الصلب للعقيق” بواسطة Yuwei Zhang، وSoroush Motahari، وEric V. Woods، وStefan Zaefferer، وPeter Schweizer، وZhiyuan Zhang، وYuqi Liu، وBaptiste Gault، وFranz Roters، وDeerk Raabe، وChristina Scheu، وYug Joshi، وSiyuan Zhang، وChuanlai Liu، وGerhard Dehm، 22 أبريل 2026، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-026-10415-9

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