جامعة كاليفورنيا تصنع غشاء بطارية جديدًا لتجنب انفجارات ارتفاع درجة حرارة البطارية باستخدام شبكات أنابيب الكربون النانوية

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Umhlinzeki Wesiteshi Samandla Esiphathekayo

نجح مهندس النانو بجامعة كاليفورنيا سان دييغو في تطوير ميزة آمنة تمنع بطاريات الليثيوم المعدنية من التسخين السريع والاشتعال عندما تتعرض للماس الكهربائي. نشر ليو بينج، أستاذ الهندسة النانوية من كاليفورنيا، سان دييغو، ورقة بحثية في مجلة "المواد المتقدمة"، قدم فيها عملهم بالتفصيل. تتمتع بطاريات الليثيوم المعدنية بإمكانيات كبيرة في الأداء، ولكن من السهل أن تفشل في شكلها الحالي.

يرجع ذلك إلى نمو بنية الإبرة التي تسمى البلورة الشجيرية، وتتشكل الشجيرية على الأنود بعد شحن البطارية، ويمكن ثقب الفاصل، ويتشكل الفاصل بين الأنود والكاثود. حاجز يبطئ تدفق الطاقة والحرارة. عندما يتم تدمير هذه العقبة وتتمكن الإلكترونات من التدفق بحرية أكبر، فإنها تنتج المزيد من السعرات الحرارية، وسوف تصبح الأمور خارجة عن السيطرة، مما يتسبب في ارتفاع درجة حرارة البطارية، وفشلها، وحريقها، وحتى انفجارها.

يسعى العلماء إلى حل هذه المشاكل في بطاريات الليثيوم المعدنية بطرق متنوعة، حيث يستخدم الموجات فوق الصوتية أو الطبقات الواقية الخاصة من الموجات فوق الصوتية أو الطبقات الواقية الخاصة من كونها مجرد احتمالات قليلة. نجح الفريق في تنظيف جزء من البطارية يسمى الحجاب الحاجز. الحجاب الحاجز هو حاجز بين القطب الموجب والقطب السالب، بحيث عندما تكون البطارية قصيرة فإن الطاقة المتراكمة في البطارية (أي الحرارة) تتدفق ببطء.

لقد تفاجأ المؤلف الأول للأطروحة قائلاً: "نحن لا نحاول منع فشل البطارية. نحن فقط نجعل البطارية أكثر أمانًا، لذلك عندما تفشل، لن تشتعل البطارية أو تنفجر. بطاريات الليثيوم المعدنية بعد الشحن المتكرر، سوف يظهر الأنود في الأنود.

بمرور الوقت، يصبح النمو الشجري طويلاً بما يكفي، ويخترق الحجاب الحاجز، ويرفع جسراً بين الأنود والكاثود، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي داخلي. عندما يحدث هذا، يتم فقدان السيطرة على تدفق الإلكترونات بين القطبين، مما يتسبب في ارتفاع درجة حرارة البطارية وتوقفها عن العمل. فريق البحث في جامعة كاليفورنيا سان دييغو يشعر بالارتياح بشكل أساسي.

يغطي أحد الجانبين طبقة رقيقة من شبكة أنابيب الكربون النانوية الموصلة جزئيًا للكهرباء، والتي يمكنها اعتراض أي تكوين للتشعبات. عندما تلتصق المادة الشجرية بالغشاء وتضرب شبكة الأنابيب النانوية الكربونية، فإن المادة الإلكترونية تحتوي على قناة يمكنها التفريغ ببطء، وليس مباشرة إلى الكاثود. سيقوم جونزاليس بمقارنة فاصل البطارية الجديد بمسار الصرف على السد.

وقال: "عندما يبدأ تخزين المياه في السد، فسوف تفتح التسرب، وتسمح لبعض المياه بالتدفق بطريقة يمكن التحكم فيها. بهذه الطريقة، عندما يكون السد في الواقع مدمرًا، لا يتبقى الكثير من المياه التي يمكن أن تسبب فيضانات. هذه هي فكرة الفاصل لدينا، والتي تقلل إلى حد كبير من سرعة تفريغ الشحنة، مما يمنع "الفيضان" الإلكتروني للكاثود.

عندما يتم اعتراض الشجيري بواسطة الطبقة الموصلة للفاصل، تبدأ البطارية في التفريغ، لذلك عندما تكون البطارية قصيرة، لا توجد طاقة كافية لتكون خطيرة. "تتركز أعمال البحث الأخرى المتعلقة بالبطاريات على منع اختراق التشعبات باستخدام مادة قوية بما فيه الكفاية. لكن جونزاليس قال إن المشكلة في هذا النهج هي أنه لا يؤدي إلا إلى نتائج حتمية مطولة.

تحتاج هذه الفواصل إلى أن تكون جيدة، مما يسمح بمرور الأيونات حتى تعمل البطارية. لذلك، عندما يتم تجاوز الشجرة في النهاية، فإن الدائرة القصيرة سوف تصبح أسوأ. في الاختبار، أظهرت بطارية الليثيوم المعدنية المثبتة في الفاصل الجديد علامات الفشل التدريجي في 20 إلى 30 دورة.

في نفس الوقت، تتعرض البطارية والفاصل العادي (والسميك قليلاً) لأعطال مفاجئة في دورة واحدة. "في حالة حدوث ذلك في الواقع، لن يكون لديك أي تحذير مسبق بأن البطارية على وشك الفشل. قد تكون الثانية السابقة جيدة، ولكن في الثانية التالية قد تشتعل النيران أو يحدث ماس كهربائي كامل.

وقال جونزاليس "هذا أمر لا يمكن التنبؤ به". "ولكن مع فاصلنا، سيتم تحذيرك مسبقًا، تزداد الأمور سوءًا، تزداد سوءًا، تزداد سوءًا، تزداد أكثر فأكثر،. "على الرغم من أن التركيز في هذه الدراسة هو على بطاريات الليثيوم المعدنية، يقول الباحثون أن هذا الفاصل يمكن استخدامه أيضًا في أيونات الليثيوم وغيرها من التفاعلات الكيميائية للبطاريات.

وسوف يلتزم فريق البحث بتحسين الاستخدام التجاري للفاصل. وقد تقدمت جامعة كاليفورنيا في سان دييغو بطلب للحصول على براءة اختراع مؤقتة للدراسة.