من المتوقع أن يحل المطاط محل المواد التقليدية ليصبح المادة الرئيسية للجيل القادم من بطاريات الحالة الصلبة

من أجل أن تصبح المركبات الكهربائية سائدة ، فإنها تحتاج إلى بطاريات فعالة من حيث التكلفة وأكثر أمانًا وطويلة الأمد لا تنفجر أو تضر بالبيئة أثناء الاستخدام. ربما وجد الباحثون في معهد جورجيا للتكنولوجيا بديلاً واعدًا لبطاريات الليثيوم أيون التقليدية:ممحاة.

تُستخدم اللدائن ، أو المطاط الصناعي ، على نطاق واسع في المنتجات الاستهلاكية والتقنيات المتقدمة مثل الإلكترونيات القابلة للارتداء والروبوتات اللينة نظرًا لخصائصها الميكانيكية الفائقة. وجد الباحثون أنه عندما يتم صياغة المادة في هيكل ثلاثي الأبعاد ، فإنها تعمل كطريق سريع للغاية لنقل أيونات الليثيوم بسرعة ، مع صلابة ميكانيكية فائقة تسمح للبطاريات بالشحن لفترة أطول والذهاب لمسافة أبعد. تم إجراء البحث بالتعاون مع المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا ونشر في مجلة Nature.

في بطارية الليثيوم أيون التقليدية ، يتم تحريك الأيونات بواسطة سائل إلكتروليت. ومع ذلك ، فإن هذه البطاريات غير مستقرة بطبيعتها: حتى أدنى ضرر يمكن أن يتسرب إلى الإلكتروليتات ، مما يؤدي إلى حدوث انفجار أو حريق. أجبرت مخاوف السلامة الصناعة على التركيز على بطاريات الحالة الصلبة ، والتي يمكن تصنيعها باستخدام مواد خزفية غير عضوية أو بوليمرات عضوية.
يقول سونغ وو لي ، الأستاذ المساعد في كلية جورج دبليو وودروف للهندسة الميكانيكية والذي كان جزءًا من فريق بحث: "تركز معظم الصناعات على بناء إلكتروليتات صلبة غير عضوية. ولكن من الصعب صنعها ، وهي باهظة الثمن وليست صديقة للبيئة". التي وجدت بوليمر عضوي قائم على المطاط متفوقًا على المواد الأخرى. تستمر إلكتروليتات البوليمر الصلبة في جذب اهتمام كبير بسبب انخفاض تكلفة التصنيع وخصائصها غير السامة واللينة. ومع ذلك ، لا تتمتع إلكتروليتات البوليمر التقليدية بموصلية أيونية واستقرار ميكانيكي كافيين لضمان التشغيل الموثوق به لبطاريات الحالة الصلبة.
يحقق التصميم ثلاثي الأبعاد الجديد قفزة في كثافة الطاقة والأداء
استخدم مهندسو جورجيا تكممحاةإلكتروليتات لحل المشكلات الشائعة (النقل البطيء لأيونات الليثيوم وضعف الخواص الميكانيكية). كان الاختراق الرئيسي هو السماح للمواد بتكوين أطوار بلورية بلاستيكية ثلاثية الأبعاد مترابطة في مصفوفة مطاطية متينة. هذا الهيكل الفريد يجلب موصلية أيونية عالية ، وخصائص ميكانيكية ممتازة واستقرار كهروكيميائي.
يمكن تصنيع الإلكتروليت المطاطي في درجات حرارة منخفضة باستخدام عملية بلمرة بسيطة تنتج واجهة صلبة وسلسة على سطح القطب. تمنع هذه الخصائص الفريدة للإلكتروليت المطاطي نمو تشعبات الليثيوم وتسمح بحركة أسرع للأيونات ، مما يتيح لبطاريات الحالة الصلبة العمل بشكل موثوق حتى في درجة حرارة الغرفة.
ممحاة، التي تُستخدم في كل مكان لخصائصها الميكانيكية العالية ، ستمكننا من صنع بطاريات أرخص وأكثر موثوقية وأمانًا. تعني الموصلية الأيونية الأعلى أنه يمكنك تحريك المزيد من الأيونات في نفس الوقت ، ومن خلال زيادة الطاقة المحددة وكثافة الطاقة لهذه البطاريات ، يمكنك زيادة نطاق السيارة الكهربائية.

يعمل الباحثون الآن على طرق لتحسين أداء البطارية ، وزيادة وقت الدورة وتقليل وقت الشحن من خلال التوصيل الأيوني الأفضل. حتى الآن ، أدت جهودهم إلى تحسينين في أداء البطارية / وقت الدورة.

يمكن أن يعزز هذا العمل سمعة جورجيا كمركز ابتكار للسيارات الكهربائية. تقوم SK Innovation ، وهي شركة عالمية للطاقة والبتروكيماويات ، بتمويل أبحاث إضافية في مواد الإلكتروليت كجزء من تعاونها المستمر مع المعهد لبناء الجيل التالي من بطاريات الحالة الصلبة التي تكون أكثر أمانًا واستهلاكًا للطاقة أكثر من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. أعلنت SK Innovation مؤخرًا عن إنشاء مصنع جديد لبطاريات السيارات الكهربائية في كوميرس ، جورجيا ، والذي من المتوقع أن ينتج 21.5 جيجاوات / ساعة من بطاريات الليثيوم أيون سنويًا بحلول عام 2023.
يمكن لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل أن تحسن بشكل كبير من الأميال وسلامة المركبات الكهربائية. ترى شركات البطاريات سريعة النمو ، بما في ذلك SK Innovation ، أن تسويق بطاريات الحالة الصلبة بالكامل سيغير قواعد اللعبة في السوق الإلكترونية. قال كيونغوان تشوي ، مدير مركز أبحاث بطاريات الجيل التالي التابع لشركة SK Innovation: "هناك آمال كبيرة في التطبيق السريع للبطاريات الصلبة بالكامل وتسويقها من خلال المشروع الجاري بالتعاون مع SK Innovation والبروفيسور Seung Woo Lee من معهد جورجيا. التكنولوجيا."