يعمل الباحثون في جامعة جنوب كاليفورنيا على التطوير لمنع تدهور السلامة الهيكلية لبطاريات أيون الليثيوم ، وهو أحد الأسباب التي تؤدي إلى انخفاض الوظائف بمرور الوقت.

يتمثل حلها في إدخال! التمدد في مواد البطارية حتى تتمكن من الدورة بشكل متكرر دون تعب هيكلي.

في مقال نشر في مجلة ميكانيكا وفيزياء المواد الصلبة ، يشرح فريق الولايات المتحدة أن البطارية النموذجية تعمل من خلال دورة متكررة من إدخال وإزالة الأسود من الأقطاب الكهربائية. تتوسع هذه العملية وتضغط على صفيفات الأقطاب الكهربائية ، وتؤدي هذه التغييرات في الحجم إلى حدوث تشققات صغيرة وشقوق وعيوب بمرور الوقت ، مما يؤدي إلى تدهور هيكلي وانخفاض سعة البطارية.

"في النهاية ، نحتاج إلى استبدال هذه البطاريات ، التي ليست باهظة الثمن فحسب ، بل تستنفد أيضًا العناصر الأرضية النادرة المستخدمة في إنتاجها" ، قالت المجموعة في بيان صحفي.

للحد من التدهور ، Deling Zhang ، المؤلف الرئيسي للورقة ، الذي يدرس مواد الإقران ، وهي فئة من المواد المستخدمة كأقطاب كهربائية في بطاريات أيون الليثيوم ، تمدد أقطاب الإقطاب الكهربائية هذه مقدمًا. هذا التغيير في حالة الإجهاد الأولية ينظم ضغوط تحويل الطور ، مما يجعل الأقطاب أكثر مقاومة للكسر أو غير متبلور ، مما يعني أنها تفقد خصائصها البلورية.

من خلال تمديد الأقطاب الكهربائية قبل الشحن/التفريغ ، قام الباحثون بتغيير منظر الطاقة الذي ينتقل من خلاله القطب من حالة الشحن إلى حالة التفريغ. (الرسم بواسطة Delin Zhang ، من باب المجاملة USC.)

"من خلال تمديد الأقطاب الكهربائية قبل الشحن والتفريغ ، فإننا نغير منظر الطاقة الذي ينتقل منه القطب من حالة الشحن إلى حالة التفريغ" ، قال تشانغ.

يسمح لنا هذا القيد الأولي بتقليل حاجز الطاقة لهذه التحولات وتجنب التشوهات المدمرة للشبكة التي تؤدي إلى تدمير المواد. يساعد هذا التغيير في مجال الطاقة على منع التشققات الدقيقة والشقوق من خلال حماية متانة البطارية وسعتها في تخزين الطاقة.

ميزة إضافية لهذا النهج هي أنه من خلال تمديد الأقطاب الكهربائية ، يمكن للبطارية أن تعمل أيضًا في نافذة جهد أوسع ، مما يجعلها أكثر كفاءة في سعة تخزين الطاقة.

ويُنظر أيضًا إلى تطوير تشانغ على أنه خطوة نحو بطاريات أكثر أمانًا ومتانة ، مع حل المشكلات الميكانيكية المرتبطة بالشوارد السائلة القابلة للاشتعال المستخدمة عادة في البطاريات عن طريق استبدالها بمواد صلبة.

أوضح المؤلف المشارك أنانيا رينو بالاكريشنا أن الأجسام الصلبة يمكن أن تنهار بمرور الوقت تحت الضغط المتكرر ، قائلة إنه بمجرد ظهور صدع ، سيفقد كلا جانبي السطح الاتصال. في حالة البطارية ، بدون اتصال ، من الصعب نقل الأيونات عبر المادة.

وفقا لrenuki-Balakrishna ، فإن جدة هذا النهج هي أنه بدلا من العثور على مادة جديدة لإطالة عمر البطارية ، فمن الممكن تحسين عمر المادة الموجودة عن طريق إدخال مفاهيم الميكانيكا الأساسية.

"لم تكن الميكانيكا دائمًا جزءًا لا يتجزأ من تطوير البطارية" ، قالت رينو بالاكريشنا. "ولكن الآن يمكن للمهندسين اللعب بهذه النظرية/الأداة التي ابتكرها تشانغ والعمل على تصميم مواد للبطاريات".

يعتقد الفريق أن زيادة عمر البطارية ستكون مفيدة لمستخدمي الأجهزة الإلكترونية والمركبات الكهربائية ، مما يسمح باستخدام أطول للأجهزة وتقليل استبدال البطارية ، وتوفير المال والموارد بمرور الوقت.