وقد أدى سرعة كهربة النقل، والإلكترونيات المحمولة، وتخزين الطاقة على نطاق الشبكة إلى فرض مطالب غير مسبوقة على أداء البطاريات، وفي حين أن البطاريات التي تستخدم الليثيوم - الأسيون قد تغلبت على هذه القطاعات منذ عقود، فإن كثافة الطاقة الأساسية وحياة الدورة مقيدة بممتلكات المواد الكهربائية التقليدية، وتشهد عمليات الانجاز الأخيرة في مادة الليود والكيمودية الواعدة التي تفحص أكثر سرعة.

ويعد التقدم في تكنولوجيا البطاريات أمرا حاسما لتحسين أداء الأجهزة الإلكترونية والمركبات الكهربائية ونظم تخزين الطاقة المتجددة، وتركز البحوث الأخيرة على وضع مخطوطات ومواد قطنية جديدة لتعزيز قدرة البطاريات واستقرارها على حد سواء.

فهم عناصر البطارية

وتتكون البطارية العادية القابلة للشحن من ثلاثة عناصر رئيسية هي: الشعار، والقطع، والكهرباء، والعلامة التي عادة ما تكون مصنوعة من الغرافيت، حيث يحدث الأكسدة أثناء التصريف، كما أن الكاسيد، التي كثيرا ما تتألف من أكسيد المعادن، تقبل الكترونات أثناء العملية، كما أن الكم الكهربائي الذي يسهل نقل الأيوني بين هذه الكمائن.

الابتكارات في المواد الأنودية

وتستخدم البطاريات التقليدية للمثليين الليثيوم -يون الغرافيت كعبار، الذي يربط بين أيون الليثيوم وبين الطبقات الغرافينية بقدرة نظرية قدرها ٣٧٢ ميغاه/غرام. وفي حين أن الرسم البياني يوفر استقراراً ممتازاً وتكلفة منخفضة، فإن قدرته متواضعة بالمقارنة بالبدائل الناشئة، وقد اجتذبت صنفان من المواد - السيليكون والليثيوم المعدني - بحوثا مكثفة بسبب ارتفاع كبير في قدراتهما النظرية.

Silicon Anodes

ويمكن أن يستضيف السيليكون ما يصل إلى 4.4 ذرة الليثيوم لكل ذرة من ذرات السيليكون، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في الحجم (تصل إلى 30 في المائة) أثناء التلويث، مما يؤدي إلى تفكك الجسيمات وفقدان الاتصال الكهربائي، واستمرار تدهور القدرة على الارتداد.

وقد وضع الباحثون عدة استراتيجيات للتخفيف من هذه التحديات، إذ لا تزال هذه السلف المحتوية على مواد النسيج المستعمل للسيليكون النانواري، أو الجسيمات النانوية، أو الهياكل الإباحية - تؤدي إلى إحداث تغيير في الحجم المطلق وتستوعب الإجهاد دون كسر.

الليثيوم المعدن

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الأنابيب المعدنية الليثيومية توفر القدرة النظرية النهائية البالغة 860 3 متراً/غرام، والأدنى قدرة كهروكيميائية (3-04 V vs)) وسوف يؤدي إصلاح الجرافات مع معدن الليثيوم إلى توليد الليثيوم - الجو، والكبريت، والبطاريات ذات الكثافة العالية في الدول الصلبة، والتحدي الرئيسي هو أن تفكك الليثيوم المتأصل خلال فترة التموزين

Recent progress in electrolyte engineering-using high-concentration electrolytes, fluorinated solvents, or ionic liquids-can suppress dendrite formation by promoting uniform plating. Solid electrolytes, both cecapramic (e.g., LLZO, LATP) and polymer-based,ميكانيكية block dendrite growth while providing high ionic conductivity.[FT

مواد أخرى من المواد الخام

Beyond silicon and lithium, tin (993 mAh/g as Li4[FLT:]Sn] and transition metal oxides (e.g., Co]3

السلف في المواد الخام

(أ) المواد السائلة ذات القيمة المضافة (LFT:0)

Lithium-Rich Layered Oxides

التركيز على [FLT] [FLT]

سبينل عالية الفول

Sinel LiNi.5Mn1.5O()

NMC and Alternatives

LiNping gLT:0]xMn]CozO)()

الأثر على قدرة البطاريات واستدامتها

ومن شأن إدماج مواد التنوّه والقطع المبتكرة أن يحسن كثيراً قدرة البطاريات، مما يتيح تشغيل الأجهزة لفترة أطول بين الرسوم، بالإضافة إلى أن هذه المواد يمكن أن تعزز الاستقرار، وتلاشى القدرة على امتداد دورات متعددة، ويكتسي تعزيز الاستقرار أهمية خاصة بالنسبة للمركبات الكهربائية وتخزين الشبكات، حيث يكون من الضروري توفير الموثوقية الطويلة الأجل، ويمكن أن يؤدي الجمع بين مواد عالية القدرة ذات تصميم هيكلي قوي إلى توسيع نطاق البطاريات والسلامة.

ومن أجل تحقيق الفوائد بالكامل، يجب أن يقترن العقد والخصيص على النحو المناسب، وقد يؤدي عقد النسيق ذو القدرة العالية مع فهد تقليدي من طراز NMC إلى تكوين خلية تبلغ ٣٥٠ و/كغ، ولكن نظام الكولومبيك الأولي، وتغيرات الحجم إلى تحقيق الاستقرار في الكاثود.

تعزيز القدرات

ويمكن أن تعزز الأنابيب المنوية وحدها القدرة على التنوّع بمعامل يتراوح بين 3 و5 مقارنة بالغرافيت، وعندما تقترن بكاسيد عالية القدرة مثل أكسيد الكبريت، فإن كثافة الطاقة الكاملة التي تبلغ 400 إلى 500 كغم تصبح ممكنة، وبالمثل، فإن استبدال الكاثود بمركبات النيكل النسيج الوطني الغنية بالنيكل أو النيمو يزيد حجم الخلية باستخدام الفولطية الكاملة أو القدرة على التوالي.

تحديات الاستقرار وحلوله

(أ) يؤدي التوسع في عدد المحركات إلى ارتفاع درجة الحرارة؛ وتسريع الارتفاع في مستويات التحلل الكهربائي؛ وتفاعلات جانبية في الواجهات البينية تستهلك الليثيوم؛ وتعالج هذه القضايا من خلال نهج متعددة: (1) تركيبة الكمائن - السائل المفلور، وثبات المعاطف المتينة، وضغوط الكهربية الصلبة

كما أن الاستقرار يشمل السلامة، ويمكن للثدييات الغنية بالنيكل أن تطلق الأوكسجين في درجات حرارة مرتفعة، بينما تكون الأنوف المعدنية لليثيوم عرضة للهرب الحراري، ويجب أن تمر نظم المواد الجديدة باختبارات صارمة للاعتداء، وأن تضع مواد آمنة بصورة جوهرية مثل الكهروليت الصلبة المغناطيسي أو ليفيبو (4) [ترفع أهداف البحث في مجال القدرة على العمل:1].

التوقعات المستقبلية والتسويق

ومع تقدم البحوث، يمكننا أن نتوقع أن نرى بطاريات تجارية تدمج هذه المواد المتقدمة في العقد المقبل، وسيشكل الابتكار المستمر عاملا أساسيا لتلبية الطلبات المتزايدة على الطاقة للمجتمع الحديث مع الحفاظ على السلامة والاستدامة.

وفي الوقت نفسه، فإن عدة اتجاهات ستشكل العقد القادم من مواد البطاريات، وقد تكون الأنودوسات السيليكونية في شركات إنتاج محدودة مثل سيلا نانشنولوجيات والمجموعة 14، وتزود المواد ذات السم السيليكونية بالأجهزة الالكترونية الاستهلاكية والمركبات الكهربائية، وقد نرى في الفترة من 2025 إلى 2027 خلية ذات قدرة على إحداث التخصيب، مع وجود محتوى من السيليكون بنسبة 50 في المائة يصل إلى 400 من الطاقة السائلية(26).

وتتسارع اكتشاف المواد الاستخبارية الفنية والفحص العالي للمنتجات، على سبيل المثال، (أ) ورقة عام 2020 في ]Nature ] تستخدم التعلم الآلي لتحديد الكهرباء الصلبة الجديدة لبطاريات الليثيوم، وستقصر هذه الأدوات دورات التنمية وتتيح إجراء فحص سريع للكميات.

كما أن اعتبارات الاستدامة هي بحوث تقودها إلى الأمام، فالكثيدات الخالية من الكوبالت (مثلاً، ليفيبو 4]، وLNMO، والمواد التي تُعد من المنغنيز الليثيوم) تحد من الشواغل البيئية والأخلاقية، كما أن إعادة تدوير المواد ذات القدرة العالية تطرح تحديات جديدة:

وفي نهاية المطاف، فإن أثر المواد الجديدة والمفتوحة لن يقاس بمكاسب القدرات فحسب، بل أيضا بالقدرة على الحفاظ على الاستقرار على آلاف الدورات في ظل ظروف العالم الحقيقي، وسيكون التآزر بين المواد المتقدمة ونظم إدارة البطاريات الذكية أمرا بالغ الأهمية، حيث أن هذه التكنولوجيات ستمكن من استخدام مركبات كهربائية أطول مدى، وأجهزة استهلاكية أطول، وأكثر كفاءة في تخزين الشبكات، مما سيحول استخدام الطاقة عبر العالم.