مقارنة بين بطاريات سيارات البنزين والمركبات الكهربائية

تعد بطاريات الحالة الصلبة، المستخدمة حاليًا في الأجهزة الإلكترونية الصغيرة مثل الساعات الذكية، لديها القدرة على أن تكون أكثر أمانًا وقوة من بطاريات الليثيوم أيون لأشياء مثل السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة من الألواح الشمسية لاستخدامها لاحقًا.

ولا تزال هناك العديد من التحديات التقنية قبل أن تنتشر بطاريات الحالة الصلبة.

ونشر موقع " newswise"الأمريكي أن دراسة علمية بقيادة مختبرات سانديا الوطنية، نُشرت في 7 مارس في المجلة العلمية جول، عالجت أحد هذه التحديات - وهو افتراض طويل الأمد مفاده أن إضافة بعض الإلكتروليت السائل لتحسين الأداء سيجعل بطاريات الحالة الصلبة غير آمنة.

ووجد فريق البحث الأمريكي أنه في كثير من الحالات، كانت بطاريات الحالة الصلبة التي تحتوي على القليل من الإلكتروليت السائل أكثر أمانًا من نظيراتها من الليثيوم أيون.

ووجدوا أيضًا ، إذا كانت البطارية في دائرة كهربائية قصيرة ، وإطلاق كل طاقتها المخزنة ، فإن البطارية فائقة الأمان من الناحية النظرية ، والبطارية الصلبة بالكامل يمكن أن تطفئ كمية خطيرة من الحرارة.

وقال أليكس بيتس ، باحث ما بعد الدكتوراه في سانديا الذي قاد الدراسة من أجل البحث: "تتمتع بطاريات الحالة الصلبة بالقدرة على أن تكون أكثر أمانًا ، ولديها القدرة على زيادة كثافة الطاقة". "هذا يعني ، بالنسبة للسيارات الكهربائية ، أنه يمكنك الذهاب بعيدًا بين الشحنات ، أو تحتاج إلى عدد أقل من البطاريات لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة. قد تساعد إضافة الإلكتروليت السائل في سد الفجوة التجارية ، دون التضحية بالسلامة ".

أفضل البطاريات الكيميائية

بطاريات الحالة الصلبة تشبه إلى حد ما بطاريات الليثيوم أيون، ففي كليهما، تنتقل أيونات الليثيوم من جانب واحد من البطارية إلى الجانب الآخر ، بينما تتدفق الإلكترونات عبر دائرة لتشغيل الجهاز.

أحد الاختلافات الكبيرة هو أنه في جميع أنحاء بطارية ليثيوم أيون ، توجد مادة تساعد أيونات الليثيوم على التحرك بسرعة: السائل المنحل بالكهرباء.

لورين توريس-كاسترو ، خبيرة سلامة البطاريات في مختبر سانديا لاختبار إساءة استخدام البطارية ، والتي تشارك في المشروع ، تقارن الإلكتروليت السائل بأسطول من السيارات التي تسير في الممرات: إنه ينقل أيونات الليثيوم مباشرة إلى حيث يحتاجون إلى الذهاب. ومع ذلك ، فإن الإلكتروليتات السائلة الحالية قابلة للاشتعال ويمكن أن تتسبب في انفجار البطارية أو نشوب حريق ، خاصة عند تلف البطارية.

وفي بطارية الحالة الصلبة ، يتم استبدال السائل المنحل بالكهرباء بمادة صلبة ، تسمى بالكهرباء الصلبة ، تساعد أيضًا أيونات الليثيوم على التحرك بسرعة.

وقال بيتس إن أحد التحديات التقنية هو أنه بينما يمكن أن تتحرك أيونات الليثيوم بسرعة داخل الإلكتروليت الصلب ، فإنها تواجه صعوبة في الانتقال من الإلكتروليت الصلب إلى الأقطاب الكهربائية والعكس صحيح. يمكن مقارنة الإلكتروليت الصلب بكادر من القطارات ، وسرعان ما ينقل أيونات الليثيوم إلى المحطة ، ولكن لا يزال يتعين على الركاب السفر لمسافة أبعد قليلاً للوصول إلى ديارهم.

وتتمثل إحدى الطرق التي سارع بها العلماء في تسريع هذا "النقل المكوكي المباشر" - وبالتالي سرعات شحن البطارية والأداء - عن طريق إضافة القليل من السائل المنحل بالكهرباء إلى الجانب الإيجابي للبطارية.

ومع ذلك ، قالت يوليا بريغر ، خبيرة موثوقية بطاريات سانديا في المشروع ، "كان هناك الكثير من الجدل في مجتمع أبحاث بطاريات الحالة الصلبة حول سلامة تضمين الإلكتروليت السائل في" تشحيم العجلات ". يقول بعض العلماء ذلك أي كمية من السائل المنحل بالكهرباء غير آمنة.

وأجرى الموقع الحسابات لمعرفة ما يمكن أن تكون عليه آثار السائل المنحل بالكهرباء ، بدلاً من مجرد قبول "خط الحزب". "

وتساءل ستيف هاريس ، عالم البطاريات في مختبر لورانس بيركلي الوطني ، وكاتي هاريسون ، عالمة البطاريات في سانديا ، عن "خط الحزب" الذي أدى إلى الدراسة. كلاهما شارك في الدراسة.

ما مدى أمان بطاريات الحالة الصلبة؟

من أجل معرفة مدى أمان بطارية الحالة الصلبة مع القليل من السائل المنحل بالكهرباء ، بدأ فريق البحث بحساب مقدار الحرارة التي يمكن إطلاقها في بطارية ليثيوم أيون ، وبطارية صلبة بالكامل وحالة صلبة.

وتحتوي جميع البطاريات التي تم اختبارها على كميات مكافئة من الطاقة المخزنة.

وقال جون هيوسون ، خبير في حساب إطلاق الحرارة في المشروع ، "لقد بدأنا بتحديد مقدار الطاقة الكيميائية الموجودة في الأنواع الثلاثة من البطاريات". "هناك الكثير من الطاقة التي يمكنك إطلاقها ، والتي ستسخن البطارية بمقدار معين ، في حالة حدوث تفاعل كيميائي."

وقال توريس كاسترو إن أول شيء سيء يمكن أن يحدث هو إذا اشتعلت النيران في البطاريات - إما من بطارية مجاورة أو من مبنى محيط. في هذه الحالات ، وجد الباحثون أن بطارية الحالة الصلبة التي تحتوي على القليل من السائل المنحل بالكهرباء أنتجت حوالي خمس حرارة بطارية ليثيوم أيون مماثلة - اعتمادًا على كمية السائل المنحل بالكهرباء بها. لم تنتج بطارية الحالة الصلبة التي لا تحتوي على سائل إلكتروليت أي حرارة في ظل هذا السيناريو.

والشيء السيئ الثاني الذي يمكن أن يحدث للبطاريات هو إذا تسبب الشحن والتفريغ المتكرر في تشكيل معدن الليثيوم "ارتفاعًا" يسمى التغصنات. قال بريجر إن هذا التغصن يمكن أن يثقب ثقبًا من خلال الفاصل الذي يحافظ على تمايز الجانبين ويسبب دائرة قصر.

وتعد هذه مشكلة معروفة في جميع البطاريات التي تحتوي على معدن الليثيوم على جانب واحد. في هذه الحالة ، أنتجت البطاريات الثلاث كميات مماثلة من الحرارة ، والتي تعتمد على كمية معدن الليثيوم الموجود في البطاريات.

ويأتي ثالث شيء سيء يمكن أن يحدث لبطارية الحالة الصلبة هو أن الإلكتروليت الصلب يمكن أن ينكسر.

وقال توريس كاسترو إن هذا يمكن أن يحدث إذا تم سحق البطارية أو ثقبها أو بسبب الضغط المتراكم أثناء التشغيل ، مما سيسمح للأكسجين من جانب واحد من البطارية بالتفاعل مع معدن الليثيوم على الجانب الآخر.

كما يمكن لبطارية الحالة الصلبة التي لا تحتوي على سائل إلكتروليت أن تصل إلى درجات حرارة قريبة من درجة حرارة بطارية الليثيوم أيون ، وهو ما وجده الفريق مفاجئًا.

من حسابات الأمان إلى التجارب المعملية

"أحد وعود بطاريات الحالة الصلبة أنها آمنة لأن الإلكتروليت الصلب ثابت ومن غير المرجح أن ينكسر. ولكن إذا انكسر بالفعل ، فقد يكون ارتفاع درجة الحرارة بنفس القدر عندما تفشل بطاريات الليثيوم أيون ، "قال بريجر. "سلطت هذه الدراسة الضوء على أهمية هندسة هيك خارج هذا الفاصل بحيث لا يفشل."

وقال بيتس إن الخطوات التالية للمشروع تشمل إجراء حسابات مماثلة مع مواد إلكتروليت صلبة أخرى وإجراء تجارب للتحقق من صحة الحسابات الجديدة والأصلية.

وقال: "وجدنا أنه إذا كانت بطارية الحالة الصلبة تحتوي على معدن الليثيوم ، فمن المحتمل أن تكون خطيرة ، بغض النظر عما إذا كانت تحتوي على سائل إلكتروليت أم لا". "ما كنا نحاول أن نشير إليه في هذه الورقة هو أن هناك مفاضلة محددة بين الأداء والسلامة ، ولكن إضافة القليل من السائل قد يؤدي إلى زيادة الأداء بشكل كبير مع تأثير ضئيل فقط على السلامة."

وأضاف توريس كاسترو أن فهم هذه المقايضة قد يساعد في تسريع عملية التسويق. "الوضوح والثقة في أن معرفة كمية صغيرة من السائل المنحل بالكهرباء لن يؤدي إلى مشاكل أمان كبيرة قد يساعد في تطوير بطاريات الحالة الصلبة التجارية.

ويمكن أن تؤدي إضافة السائل المنحل بالكهرباء إلى إصلاح إحدى مشاكلهم الرئيسية ، وهي واجهة الكهارل الصلبة ".

وتم دعم دراسة السلامة هذه من قبل مكتب برنامج تخزين الطاقة الكهربائية التابع لوزارة الطاقة.