إصلاح فضي بسيط قد يوقف أخيرًا بطاريات الحالة الصلبة من التشقق

أ مقياس النانو يمكن أن يكون الطلاء الفضي هو المفتاح لجعل بطاريات الحالة الصلبة فائقة القوة تعمل أخيرًا.

إن استبدال الإلكتروليت السائل الموجود داخل بطاريات اليوم بآخر صلب يمكن أن يفتح المجال لجيل جديد من بطاريات معدن الليثيوم القابلة لإعادة الشحن. من الناحية النظرية، ستكون هذه البطاريات أكثر أمانًا، وتخزن طاقة أكبر بكثير، ويمكن إعادة شحنها بشكل أسرع بكثير من بطاريات أيونات الليثيوم المستخدمة الآن على نطاق واسع. ظل العلماء والمهندسون يطاردون هذا الهدف لعقود من الزمن، لكن التقدم تباطأ بسبب خلل مستمر. تميل الإلكتروليتات الصلبة ذات القاعدة البلورية إلى ظهور شقوق مجهرية تنتشر تدريجيًا أثناء الشحن والاستخدام المتكرر، مما يؤدي في النهاية إلى فشل البطارية.

طبقة فضية رقيقة ذات تأثير كبير

بناء على العمل في وقت سابق تم نشره قبل ثلاث سنوات والذي كشف كيف تتشكل الشقوق الصغيرة والخدوش والعيوب السطحية وتنمو، وقد حدد باحثو جامعة ستانفورد الآن حلاً واعداً. ومن خلال المعالجة الحرارية لطبقة رقيقة للغاية من الفضة على سطح المنحل بالكهرباء الصلب، وجدوا أنه يمكن تقليل الكثير من مشكلة التشقق هذه.

كما ورد في مواد الطبيعة واليوم (16 يناير)، أصبح السطح المعالج بالفضة أكثر مقاومة للتشقق تحت الضغط الميكانيكي بخمس مرات. وبنفس القدر من الأهمية، فإن العلاج جعل العيوب السطحية الموجودة أقل عرضة بكثير لليثيوم الذي يشق طريقه إلى الداخل. وهذا التطفل ضار بشكل خاص أثناء الشحن السريع، عندما يمكن أن تتسع الشقوق النانوية إلى قنوات أعمق تؤدي إلى تعطيل البطارية بشكل دائم.

قال ويندي جو، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية وأحد كبار مؤلفي الدراسة: “إن الإلكتروليتات الصلبة التي نعمل عليها نحن وآخرون هي نوع من السيراميك الذي يسمح لأيونات الليثيوم بالانتقال ذهابًا وإيابًا بسهولة، لكنها هشة”. “على نطاق صغير للغاية، لا يختلف الأمر عن الأطباق أو الأوعية الخزفية الموجودة في المنزل والتي تحتوي على شقوق صغيرة على أسطحها.”

وأوضح قو أن القضاء على كل عيب مجهري أثناء التصنيع أمر غير واقعي. وقالت: “تتكون بطارية الحالة الصلبة في العالم الحقيقي من طبقات من صفائح أنود الكاثود والكهارل المكدسة. وتصنيعها دون حتى أصغر العيوب سيكون مستحيلًا تقريبًا ومكلفًا للغاية”. “لقد قررنا أن السطح الواقي قد يكون أكثر واقعية، ويبدو أن القليل من الفضة يقوم بعمل جيد جدًا.”

مفتاح الليثيوم الفضي

استكشفت دراسات سابقة أجراها باحثون آخرون طلاء نفس مادة الإلكتروليت الصلبة بالفضة المعدنية. وتم استخدام هذه المادة، المعروفة باسم “LLZO” لمزيجها من الليثيوم واللانثانم والزركونيوم والأكسجين، أيضًا في العمل الجديد. ومع ذلك، اتخذ فريق ستانفورد نهجا مختلفا. وبدلاً من الفضة المعدنية، استخدموا شكلاً مذابًا من الفضة التي فقدت إلكترونًا (Ag+).

تتصرف هذه الفضة المشحونة والمذابة بشكل مختلف تمامًا عن الفضة المعدنية الصلبة. ووفقاً للباحثين، فإن أيونات Ag+ هي المسؤولة بشكل مباشر عن تقوية هيكل السيراميك وجعله أكثر مقاومة للتشقق.

لتطبيق العلاج، قام الفريق بإيداع طبقة فضية يبلغ سمكها 3 نانومتر فقط على سطح عينات LLZO ثم قام بتسخينها إلى 300 درجة. مئوية (572 درجة فهرنهايت). خلال عملية التسخين هذه، تنتشر ذرات الفضة في سطح الإلكتروليت، لتحل محل ذرات الليثيوم الأصغر بكثير داخل البنية البلورية المسامية. امتد هذا التبادل حوالي 20 إلى 50 نانومتر تحت السطح.

والأهم من ذلك، أن الفضة ظلت في شكلها الأيوني المشحون إيجابيًا بدلاً من أن تصبح معدنية مرة أخرى. ويعتقد الباحثون أن هذا هو المفتاح لمنع تكوّن الشقوق. في المناطق التي توجد بها عيوب صغيرة بالفعل، يساعد وجود أيونات الفضة أيضًا على منع الليثيوم من شق طريقه إلى الداخل وتشكيل فروع داخلية مدمرة.

قال شين شو، الذي قاد البحث كباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد وهو الآن أستاذ مساعد في الهندسة في جامعة ولاية أريزونا: “تُظهر دراستنا أن المنشطات الفضية النانوية يمكن أن تغير بشكل أساسي كيفية ظهور الشقوق وانتشارها على سطح المنحل بالكهرباء، مما ينتج إلكتروليتات صلبة متينة ومقاومة للفشل لتقنيات تخزين الطاقة من الجيل التالي”.

قال شو، الذي عمل في جامعة ستانفورد في مختبر البروفيسور ويليام تشويه، أحد كبار مؤلفي الدراسة ومدير معهد بريكورت للطاقة، وهو جزء من كلية ستانفورد دوير للاستدامة: “يمكن توسيع هذه الطريقة لتشمل فئة واسعة من السيراميك، فهي توضح أن الطلاءات السطحية فائقة الرقة يمكن أن تجعل المنحل بالكهرباء أقل هشاشة وأكثر استقرارًا في ظل الظروف الكهروكيميائية والميكانيكية القاسية، مثل الشحن السريع والضغط”.

قياس القوة على مقياس النانو

ولقياس التحسن، استخدم الباحثون مسبارًا متخصصًا داخل المجهر الإلكتروني الماسح لاختبار مقدار القوة اللازمة لكسر سطح المنحل بالكهرباء. وتحملت المادة المعالجة بالفضة ضغطًا أكبر بمقدار خمسة أضعاف تقريبًا قبل التشقق مقارنة بالعينات غير المعالجة.

ماذا يأتي بعد ذلك

حتى الآن، ركزت التجارب على مناطق محلية صغيرة بدلاً من خلايا البطارية الكاملة. لا يزال من غير المعروف ما إذا كان من الممكن توسيع نطاق هذا النهج القائم على الفضة، ودمجه مع مكونات البطارية الأخرى، والبقاء فعالاً على مدار آلاف دورات الشحن.

يقوم فريق البحث الآن باختبار بطاريات الحالة الصلبة الكاملة من معدن الليثيوم واستكشاف كيفية تأثير أنواع واتجاهات الضغط الميكانيكي المختلفة على الأداء على المدى الطويل. كما يقومون أيضًا بدراسة مواد إلكتروليتية صلبة أخرى، بما في ذلك الإصدارات القائمة على الكبريت والتي قد توفر استقرارًا كيميائيًا محسنًا عند إقرانها بالليثيوم.

وبعيدًا عن الليثيوم، يرى الباحثون تطبيقات محتملة للبطاريات المعتمدة على الصوديوم أيضًا. يمكن أن تساعد هذه الأنظمة في تخفيف ضغوط سلسلة التوريد المرتبطة بالطلب على الليثيوم.

الفضة ليست الخيار الوحيد الممكن. لاحظ الفريق أن المعادن الأخرى يمكن أن تعمل، طالما أن أيوناتها أكبر من أيونات الليثيوم التي تحل محلها داخل بنية المنحل بالكهرباء. أظهر النحاس نتائج واعدة في الاختبارات المبكرة، على الرغم من أنه كان أقل فعالية من الفضة.

المرجع: “المنشطات غير المتجانسة عبر الطلاء النانوي تؤثر على آليات تدخل الليثيوم في الشوارد الصلبة الهشة” 16 يناير 2026، مواد الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41563-025-02465-7

المؤلفون الكبار الآخرون للدراسة مع جو وتشويه هم يو تشي، أستاذ الهندسة في جامعة براون. المؤلفون الرئيسيون المشاركون في جامعة ستانفورد مع شو هم تنغ كوي، وهو الآن أستاذ مساعد في جامعة ستانفورد جامعة واترلو; جيف ماكونوهي، وهو الآن مهندس أبحاث في شركة Orca Sciences؛ وطالب الدكتوراه الحالي صموئيل س. لي. هارش جاجاد، خريج جامعة براون، وهو الآن كبير مسؤولي التكنولوجيا في شركة Metal Light، Inc.، هو أيضًا مؤلف مشارك في الدراسة.

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