الرئيسيةعريقبحث

بطارية الحالة الصلبة

☰ جدول المحتويات

بطارية الحالة الصلبة (أو البطارية الصلبة) هي تقنية بطارية تستخدم أقطابًا كهربائية صلبة وإلكتروليتًا صلبًا، بدلاً من الشوارد السائلة أو المبلمرات الجل الموجودة في بطاريات الليثيوم أيون أو الليثيوم بوليمر.[1][2] تشتمل المواد المقترحة للاستخدام مثل الإلكتروليتات الصلبة في بطاريات الحالة الصلبة على السيراميك (مثل الأكاسيد والكبريتيدات والفوسفات) والمبلمرات الصلبة. استُخدمت بطاريات الحالة الصلبة في أجهزة ضبط نبضات القلب، وتحديد الهوية بموجات الراديو (آر إف آي دي) والأجهزة التي يمكن ارتداؤها. من المحتمل أن تكون أكثر أمانًا، مع وجود كثافة طاقة أعلى، ولكن بتكلفة أعلى بكثير.

تشمل التحديات التي تواجه تبني هذه التقنية على نطاق واسع، الطاقة وكثافة الطاقة والمتانة وتكاليف المواد والحساسية والاستقرار.[3]

التحديات

الكلفة

تعد بطاريات الحالة الصلبة مكلفة عادةً في التصنيع وتستخدم عمليات التصنيع التي يُعتقد أنها صعبة التطوير، وتتطلب معدات ترسيب بالتفريغ باهظة الثمن. في عام 2012، تشير التقديرات إلى أنه بناءً على التكنولوجيا التي كانت سارية في ذلك الوقت، ستكلف خلية بطارية صلبة بسعة 20أمبير-ساعة مئة ألف دولار أمريكي، وستحتاج سيارة كهربائية ذات قدرة عالية ما يقارب 800 إلى 1000 من هذه الخلايا. أعاقت التكلفة اعتماد بطاريات الحالة الصلبة في مجالات أخرى، مثل الهواتف الذكية.[4]

حساسية درجة الحرارة والضغط

يمكن أن تكون العمليات ذات درجة الحرارة المنخفضة صعبة.[5] لوحظت بطاريات الحالة الصلبة ذات مرة بضعف الأداء.

تتطلب بطاريات الحالة الصلبة مع الإلكتروليت الخزفي ضغطًا عاليًا للحفاظ على ملامسة الأقطاب الكهربائية. يمكن أن تنكسر البطاريات ذات الحالة الصلبة من عوازل السيراميك بسبب الإجهاد الميكانيكي.

التغصنات

تعد أنودات فلزات الليثيوم (إل آي) الموجودة في بطاريات الحالة الصلبة مرشحة بديلة في بطاريات الليثيوم أيون لتأمين كثافة طاقة أعلى وأمانَ وأوقاتَ إعادة شحنٍ أسرع. تميل هذه الأنودات إلى الصعوبة في تكوين ونمو التغصنات في الليثيوم. [6]

تخترق التغصنات الفاصل بين الأنود والكاثود ما يشكل دارات قصر. هذا يسبب ارتفاع درجة الحرارة، والذي يمكن أن يؤدي إلى نشوب حريق وربما انفجار من الانفلات الحراري. تقلل تغصنات الليثيوم من كفاءة الفاراداي.[7]

تتشكل التغصنات عادةً أثناء التفريغ الكهربائي خلال الشحن والتفريغ. تتحد الأيونات مع الإلكترونات عند سطح الأنود أثناء شحن البطارية - ما يشكل طبقة من معدن الليثيوم. بشكل مثالي، يحدث ترسيب الليثيوم بشكل متساوٍ على الأنود. ومع ذلك، إذا كان النمو متفاوتًا، تتشكل التغصنات.[8]

عُثر على الطور المستقر للإلكتروليت الصلب (إس إي آي) ليكوّن الاستراتيجية الأكثر فعالية لتثبيط نمو التغصنات وزيادة أداء دورة العمل. يمكن أن يمنع إلكتروليت الحالة الصلبة (إس إس إي) نمو التغصنات، على الرغم من أن هذا لا يزال مجرد توقع. وجدت دراسة أُجريت عام 2018 أن عوازل السيراميك متناهية الصغر تعوق نمو تغصنات الليثيوم إلى كثافات تيار حرجة.[9]

المزايا

يُعتقد أن تقنية البطاريات ذات الحالة الصلبة قادرة على زيادة كثافة الطاقة (2.5x)،[10] من خلال تمكين أنودات فلزات الليثيوم.

يمكن تجنب استخدام المواد الخطرة أو السامة الموجودة في البطاريات التجارية، مثل الشوارد العضوية.[11]

نظرًا إلى أن معظم الإلكتروليتات السائلة قابلة للاشتعال وأن الإلكتروليتات الصلبة غير قابلة للاشتعال، يُعتقد أن بطاريات الحالة الصلبة لديها خطر أقل للاشتعال. هناك حاجة إلى أنظمة أمان أقل، ما يزيد من كثافة الطاقة. وتشير الدراسات الحديثة إلى أن توليد الحرارة في الداخل لا يتجاوز ما يقارب 20-30% من البطاريات التقليدية مع الإلكتروليت السائل تحت انفلات حراري.

ويُعتقد أن تقنية بطارية الحالة الصلبة تسمح بشحن أسرع. كما يمكن زيادة الجهد الكهربائي وإطالة عمر دورة العمل.[5]

المراجع

  1. Reisch, Marc S. (20 November 2017). "Solid-state batteries inch their way toward commercialization". Chemical & Engineering News. 95 (46): 19–21. doi:10.1021/cen-09546-bus. مؤرشف من الأصل في 10 سبتمبر 2019.
  2. Vandervell, Andy (26 September 2017). "What is a solid-state battery? The benefits explained". Wired UK. مؤرشف من الأصل في 21 ديسمبر 201907 يناير 2018.
  3. Weppner, Werner (September 2003). "Engineering of solid state ionic devices". International Journal of Ionics. 9 (5–6): 444–464. doi:10.1007/BF02376599. Solid state ionic devices such as high performance batteries...
  4. Carlon, Kris (24 October 2016). "The battery technology that could put an end to battery fires". Android Authority. مؤرشف من الأصل في 03 أغسطس 201907 يناير 2018.
  5. Jones, Kevin S. "State of Solid-State Batteries" ( كتاب إلكتروني PDF ). مؤرشف من الأصل ( كتاب إلكتروني PDF ) في 08 يناير 201807 يناير 2018.
  6. Wood, Kevin N.; Kazyak, Eric; Chadwick, Alexander F.; Chen, Kuan-Hung; Zhang, Ji-Guang; Thornton, Katsuyo; Dasgupta, Neil P. (2016-10-14). "Dendrites and Pits: Untangling the Complex Behavior of Lithium Metal Anodes through Operando Video Microscopy". ACS Central Science. 2 (11): 790–801. doi:10.1021/acscentsci.6b00260. PMC . PMID 27924307.
  7. Jiang, Hanqing; Tang, Ming; Duan, Huigao; Wang, Fan; Yang, Haokai; Xu, Wenwen; Hong, Liang; Zeng, Wei; Wang, Xu (March 2018). "Stress-driven lithium dendrite growth mechanism and dendrite mitigation by electroplating on soft substrates". Nature Energy. 3 (3): 227–235. Bibcode:2018NatEn...3..227W. doi:10.1038/s41560-018-0104-5. ISSN 2058-7546.
  8. Newman, John; Monroe, Charles (2003-10-01). "Dendrite Growth in Lithium/Polymer Systems A Propagation Model for Liquid Electrolytes under Galvanostatic Conditions". Journal of the Electrochemical Society. 150 (10): A1377–A1384. doi:10.1149/1.1606686. ISSN 0013-4651.
  9. Bazant, Martin Z.; Brushett, Fikile R.; Li, Ju; Su, Liang; Kushima, Akihiro; Wang, Miao; Guo, Jinzhao; Bai, Peng (2018-11-21). "Interactions between Lithium Growths and Nanoporous Ceramic Separators". Joule (باللغة الإنجليزية). 2 (11): 2434–2449. doi:10.1016/j.joule.2018.08.018. ISSN 2542-4785.
  10. Dudney, Nancy J; West, William C; Nanda, Jagjit, المحررون (2015). Handbook of Solid State Batteries. 6 (الطبعة 2nd). World Scientific Publishing Co. Pte. doi:10.1142/9487. hdl:10023/9281.  .
  11. Bullis, Kevin (19 April 2011). "Solid-State Batteries - High-energy cells for cheaper electric cars". إم آي تي تكنولوجي ريفيو07 يناير 2018.

موسوعات ذات صلة :