أوضح المؤلف الرئيسي ويليام تشويه، وهو أستاذ مشارك في علوم وهندسة المواد في كلية الهندسة وعلوم الطاقة والهندسة في مدرسة دول الجديدة للاستدامة في ستانفورد، أن ويليام تشويه كبير المؤلفين.
قال تشويه، الذي قاد الدراسة مع ويندي جو، الأستاذ المساعد في الهندسة الميكانيكية، إنه حتى الغبار أو الشوائب الأخرى التي يتم إدخالها أثناء عملية التصنيع يمكن أن تخلق ضغطًا كافيًا للتسبب في الفشل.
مشكلة فشل المنحل بالكهرباء الصلبة ليست جديدة، وقد تمت دراسة هذه الظاهرة من قبل الكثيرين. النظريات كثيرة حول ماهية السبب بالضبط. يقول البعض إن التدفق غير المتوقع للإلكترونات هو السبب، بينما يشير آخرون إلى أسباب كيميائية. غير أن آخرين يرون قوى مختلفة تلعب دورها.
في دراسة نُشرت في 30 يناير في Nature Energy، أوضح المؤلفون الرئيسيون Jeff McConaughey و Shen Zhou و Ting Cui في تجارب صارمة وذات دلالة إحصائية كيف تتسبب عيوب المقياس النانوي والضغط الميكانيكي في فشل الإلكتروليتات الصلبة. يمكن للعلماء في جميع أنحاء العالم الذين يحاولون تطوير بطاريات إلكتروليت صلبة جديدة قابلة لإعادة الشحن يمكن لأجهزة الشحن أن تصمم حول هذه المشكلة، بل وتحول الاكتشاف لمصلحتهم، كما يعمل الكثيرون في فريق ستانفورد الآن. يمكن لبطاريات الليثيوم المعدنية كثيفة الطاقة وسريعة الشحن وغير القابلة للاشتعال والتي تدوم طويلاً التغلب على الحواجز الرئيسية التي تحول دون استخدامها على نطاق واسع في السيارات. الكهرباء، إلى جانب العديد من المزايا الأخرى.
دلالة إحصائية
العديد من الإلكتروليتات الصلبة الرائدة اليوم هي السيراميك. إنه يتيح النقل السريع لأيونات الليثيوم ويفصل ماديًا بين القطبين اللذين يخزنان الطاقة. والأهم من ذلك أنها مقاومة للحريق. ولكن، مثل السيراميك في منازلنا، فإنها تتسبب في حدوث شقوق صغيرة في السطح.
باستخدام أكثر من 60 تجربة، أظهر الباحثون أن السيراميك غالبًا ما يكون مليئًا بالشقوق النانوية والخدوش والشقوق، بعرض أقل من 20 نانومتر. (يبلغ سمك الرقائق حوالي 100000 نانومتر). أثناء الشحن السريع، تنفتح هذه الشقوق المتأصلة، مما يسمح بتطفل الليثيوم، كما يقول تشو وفريقه.
في كل تجربة، طبق الباحثون مجسات قطب كهربائي على الإلكتروليت الصلب، وصنعوا بطاريات صغيرة، واستخدموا مجهرًا إلكترونيًا لمراقبة الشحن السريع في الوقت الفعلي. بعد ذلك، استخدموا الحزمة الأيونية كمشرط لفهم سبب تجمع الليثيوم عشوائيًا في مواقع معينة على سطح السيراميك، بينما يبدأ النقش في مواقع أخرى. بالذهاب إلى أعمق، حتى جسور الليثيوم بين الإلكتروليتات الصلبة، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي.
الفرق هو الضغط. عندما تلمس مجسات الإلكترود سطح المنحل بالكهرباء، يتراكم الليثيوم بشكل جميل أعلى المنحل بالكهرباء، حتى لو كانت البطارية مشحونة لأقل من دقيقة. ومع ذلك، فمن الممكن بشكل أكبر محاكاة الضغط الميكانيكي للمسافة البادئة والانحناء والالتواء عند ضغط المسبار على المنحل بالكهرباء الخزفي. دائرة البطارية مختصرة.
النظرية في الممارسة
تتكون بطاريات الحالة الصلبة في العالم الحقيقي من طبقات من صفائح مهبطية مكدسة فوق بعضها البعض. يتمثل دور الإلكتروليت في فصل الكاثود فعليًا عن الأنود مع السماح لأيونات الليثيوم بالتحرك بحرية بين الاثنين. إذا كان الكاثود والأنود يتلامسان أو متصلان كهربائيًا بأي شكل من الأشكال الأشكال، مثل حفر الأنفاق عبر الليثيوم المعدني، ماس كهربائى.
كما أظهر Chueh وفريقه، حتى الانحناء الطفيف أو الالتواء الطفيف أو بقعة من الغبار بين القطب الموجب والليثيوم يمكن أن يؤدي إلى شقوق غير محسوسة.
قال ماكونهي، الذي أكمل شهادة الدكتوراه في مختبر التحول العام الماضي ويعمل الآن في الصناعة، إذا أتيحت الفرصة للتعمق في الإلكتروليت، فسيأتي الليثيوم في النهاية ليربط الكاثود والأنود. عندما يحدث هذا، تفشل البطارية.
قال الباحثون إن الفهم الجديد تم إثباته مرارًا وتكرارًا. قاموا بتسجيل فيديو للعملية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح - نفس المجهر الذي لا يمكنه رؤية الشقوق التي تتطور في إلكتروليتات نقية غير مختبرة.
وأوضح شو أن الأمر يشبه إلى حد ما كيفية ظهور الثقوب في الرصيف المثالي. من خلال المطر والثلج، تضرب إطارات السيارات المياه في عيوب صغيرة موجودة مسبقًا في الرصيف، مما يؤدي إلى حدوث شقوق تنمو وتتسع بمرور الوقت.
قال شو، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر تويست، إن الليثيوم في الواقع مادة ناعمة، ولكن، مثل الماء في مسامه، كل ما يحتاجه هو الضغط لتوسيع المسام وإحداث فشل.
مسلحًا بهذا الفهم الجديد، يبحث فريق Chueh عن طرق لاستخدام هذه القوى الميكانيكية عن قصد لتقوية المادة أثناء عملية التصنيع، تمامًا مثل حداد يصلح شفرة أثناء الإنتاج. يبحثون أيضًا عن طرق لتغطية سطح المنحل بالكهرباء لمنع التشققات أو إصلاح التشققات في حالة حدوثها.
كل هذه التحسينات تبدأ بسؤال واحد: لماذا؟ نحن المهندسين. أهم شيء يمكننا القيام به هو معرفة سبب حدوث الأشياء. بمجرد أن نعرف ذلك، يمكننا تحسين الأمور.