كيف أنّ الاختبارات المادية تؤثر على أداء عناصر كتيبة الليثيوم

إن فهم الخواص المادية للمكونات في بطاريات الليثيوم - الأسيون أمر أساسي لتحسين أدائها وسلامتها وطويلتها، وهذه البطاريات تُولِّد كل شيء من الهواتف الذكية والحواسيب المحمولة إلى المركبات الكهربائية وتخزين الطاقة على نطاق الشبكة، مما يجعل كفاءتها مجالاً حاسماً للبحث والتطوير، كما أن سلوك الكثافة الكثيفة للطاقة في البطاريات، والقدرة على توليد الطاقة، وحياة الدورة، وأجهزة الأمان - المستمد من التفاعلات

Properties التي تحدد أداء البطارية الأساسية

عدة ممتلكات أساسية تحدد مجتمعة مدى نجاح بطارية الليثيوم -يون في أداءها في ظروف تشغيلية مختلفة، وتشمل هذه الخصائص السلوكيات الكهربائية، والسلوك الأيوني، والاستقرار الحراري، والقوة الميكانيكية، والاستقرار الكيميائي، والاستقرار الكهروكيميائي، وكل ملكية تتفاعل مع الآخرين بطرق معقدة، وتحتاج إلى تحقيق التوازن بين المفاضلة والأخطار، على سبيل المثال، زيادة قدرة المواد الكاسحة قد تضر باستقرارها الكهروكيميائي.

التصريف الكهربائي

وتنظم السلوكيات الكهربائية تدفقاً فعالاً للكهرباء بين الجسيمات المادية النشطة والجماهير الحالي أثناء الشحن والتصريف، وتخفض المواد ذات السلوك الإلكتروني العالي الخسائر في الأورام وتدعم العمليات ذات الجودة العالية، وتنتج عن ذلك المواد الغذائية القياسية والسلوك النيكلي الجيد على طول طائراته البصلية، مما يتيح النقل السريع للكهرباء، غير أن المواد الناشئة من نوع السمية مثل النسيج المنسجية تضيف إلى السلوك السيلي.

Quantitatively, electronic conductivity in electrode composites typically ranges from 10^-2] to 10^]2 S/cm. Poor conductivity leads to polarization, reduced capacity at high discharge rates, and localized heating often employ conductive coating on bulk carbon

Ionic Conductivity

Equally important is the ionivity of the electrolyte and the active materials themselves. Lithium ions must migrate through the electrolyte, across the separator, and within the solid electrode particles to intercalate or deintercalate. Liquid electrolytes typically achieve ion of 10^{-2[Fcly conduct}

الاستقرار الحراري

أما الاستقرار الحراري فهو حيوي بالنسبة للأمان، إذ أن المواد التي تحلل أو تتفاعل بشكل غير طبيعي عند درجات الحرارة المرتفعة يمكن أن تُحدث مسارا حراريا، وهو تفاعل تُطلق الحرارة بسرعة أكبر مما يمكن تفريقه، مما يؤدي إلى حرائق أو انفجارات، كما أن المواد البلاستيكية تُحسّن على نطاق واسع في الاستقرار الحراري: فوسفات الحديدي الليثيوم المتجمدة مستقرة بدرجة كبيرة.

القوة الميكانيكية

الخواص الميكانيكية تحدد مدى قدرة المواد على تحمل الضغوط المادية أثناء التصنيع، وتجمع الخلايا، وتركيب الدراجات (تغييرات في الحجم)، والتأثيرات المحتملة، وتطورات ذات قدرة عالية، مثل السيليكون، وتوسعات في الحجم تصل إلى 30 في المائة خلال التلويث، مما يتسبب في كسر الجسيمات، وفقدان الاتصال الكهربائي، وعدم استقرار نظام الفصل الثاني، يساعد على منع حدوث توترات خارجية قصيرة بسبب تأثير النسيجات الميكانيكية

القابلية للاختلال الكيميائي والكيميائي

"النافذة الكهربية" "التي تُعرض على "الكهرباء" أو "الكهرباء""

أثر الممتلكات المادية على عناصر البطارية

ويحدد تفاعل هذه الممتلكات أداء البطاريات عموماً، وكل عنصر - عرض، وكهروليت، وفصل، وجامع حالي - يلبي متطلبات مادية محددة يجب تلبيتها في وقت واحد.

المواد الخام

ولا تزال البطاريات المهيمنة تُعزى إلى انخفاض تكلفتها وسلوكها الإلكتروني الجيد وقدرتها البطيئة المتوسطة (المعدلات المتوسطة للحجم (730 متراً/جيم3)، والتغيرات في الحجم نسبياً (المعدل 10 في المائة)، غير أن قدرتها على الاختزال محدودة بـ 372 متراً/غراماً من الجسيمات السيليكونية توفر ما يصل إلى 3579 متراً/غرام (الدراجة 15Si4) ولكنها تعاني من اتساع الحجم

مواد خام

وتُحدد المستودعات الكهربية وجزء كبير من كثافة الطاقة، وتُقدم الأوكسيدات المُعدية (NMC, NCA) قدرة عالية (180-220 mAh/g) ولكن على حساب الاستقرار الحراري وتكاليف الكوبالت.

Electrolytes

وتشتمل الكهرباء السائلة على أملاح الليثيوم المرنة (LiPF6) المذيبة في مذيبات الكربون العضوية (EC, DMC, DEC, EMC).

الانفصاليون

أما المفصل فهو عبارة عن نغمة مخروطة تعزل عن الأنود والهدر في حين تسمح بالنقل الأيوني، ويُعدّ البوليثيلين (PE) وبوليبروبيلين (PP) شائعاً بسبب انخفاض التكلفة وحسن القوة الميكانيكية، غير أنها تتقلص في درجات الحرارة المرتفعة، وتخاطر بدوائر داخلية قصيرة.

المجمّعون الحاليون والبنات

فالأدوية الفلفلية والألومنيوم هي معيار للمجمعين الحاليين للقطع والقطع، على التوالي، ويجب حماية النحاس من الأكسدة بإمكانات عالية (عدم استخدامه على جانب الكثافة) وتخفض الرغاوي (من 6 إلى 10 ميكروم) الوزن ولكنها تتطلب قوة ميكانيكية كافية للريح، ويمتلك البنادر مثل الديوكسين البيريوم المادة الفعالة والإضافة السلوكية معا.

مُدَرَّبَات التحلل والفشل مُسَرَّبة بمواد

إن تدهور البطارية عملية معقدة تشمل آليات متعددة، يأتي العديد منها من عدم كفاية الممتلكات المادية، ويسمح فهم هذه الآليات بتصميم المواد المستهدفة.

Capacity Fade

وتخفض القدرة على فقدان الليثيوم النشط بسبب النمو المستمر في نظام المعلومات الاقتصادية، وبطلاء الليثيوم، وفك شفرة المواد الكاسحة، وفي الأنود، تستهلك وحدات التصوير الذاتي من 5 إلى 10 في المائة من القدرة على الدورة الأولى؛ وتتسبب التدوير المطول في تسكّن وتكاثر الجسيمات الكهرولية، وفي التآكل الهيكلي (التحولات التدريجية، وتغيرات الأوكسجين المتاحة).

النمو المعوي

زيادة المقاومة الداخلية من تدهور مستوى الطاقة الكهربائية، وتكوين الأفلام السطحية على الطهي، وفقدان الاتصال الكهربائي بالكهرباء يحدان من القدرة على توليد الطاقة، وتؤثر العائدات مثل السلوكية الأيونية والارتباط الإلكتروني تأثيرا مباشرا على تطور الاضطرابات.

الليثيوم ديندريس والدائرة القصيرة

وعندما تتجاوز الكثافة الحالية المحلية المعدل الذي يمكن فيه لليثيوم أن يتداخل أو ينتقل، يمكن لمعادن الليثيوم أن يصفها غير الرسمي، ويشكِّل طقوساً، ويتفاقم ذلك بسبب انخفاض معدل السلوك الأيوني للكهرباء وارتفاع معدلات الشحن وانخفاض درجات الحرارة، ويمكن للديندريس أن يُنقِّض الخواص المتناظرة، مما يتسبب في وجود دوائر داخلية قصيرة وطرق الارتداد.

مسارات حرارية

وبعد أن تُطلق (مثلاً، بالاختصار الداخلي، أو بالشحن المفرط، أو الحرارة الخارجية)، تُستَرَدَّم المجرى الحراري من خلال التحلل الحراري لجهاز الاستشعار، ورد الفعل المعلن بالكهرباء، والإطلاق الكاسحي (للأكسيدات المطبقة)، والحرق بالكهرباء، ويتوقف معدل الحرارة والإطلاق الحراري عند حده على الاستقرار الحراري المادي(11).

المواد والنهج الناشئة للحد من الانبعاثات

وتركز بحوث الجيل القادم من البطاريات على مواد تحقق في نفس الوقت كثافة عالية للطاقة، وحياة طويلة، وسلامة ممتازة، ويجري العمل على اتباع عدة اتجاهات واعدة.

Silicon-Dominant Anodes

وباستخدام السيليكون المجهز بالنانووية (مثلاً، النانويرات، الجسيمات الخبيثة) والمربطات المتقدمة (البوليمرات المحتوية على المصل، وبوليميرات التعافي الذاتي)، يمكن للباحثين أن يستوعبوا التغيرات في الحجم، وطرائق التمهيد التعويض عن خسائر الدورة الأولى، وقد قامت شركات مثل سيلا نانشنولوجيا ومؤسسة الأمبريوس بتسويق الأناسكو في الخلايا الصغيرة.

نخيل - رايش وكبالت - كاثود

زيادة محتوى النيكل (مثلاً، NMC90، NMC95) يعزز القدرة على العمل، لكنه يتطلب تجهيزاً دقيقاً للتقليل من التفاعل السطحي.() وتعاني الجسيمات المقطعية الوحيدة الكريستال من الكسر أكثر من المواد المكدسة من البولي كريستالين، والبدائل الخالية من الكوبالت مثل LNMO والأكسيدات الغنية بالليز (xLi2MnO3)

Solid-State Electrolytes

ويعود الكهرباء الصلبة بالقضاء على السوائل القابلة للاشتعال، والسماح بزراعة المعادن الليثيومية، وتمكين عملية ذات دفعة عالية، ويحتاج الإلكتروليتات ذات القاعدة العالية (مثلاً، لي 6PS5Cl) إلى وجود سمات ⁇ 10 ملليترات/سم، ومركبات سائلة متنافسة، ولكنها حساسة للرطوبة.

المفصلون المتقدمون والمواضيع

ويمكن للمفرقعات غير المستذئبة التي تُصنع من البوليميد أو الخلوي أن تصمد عند 200 درجة مئوية.

تعليم الآلات والتحسين العالي

وتعجل المعلوماتية للمواد اكتشاف الكهروليتات الجديدة، وتكوينات المهزلة، والمعاطف، وبتنبؤها بالسلوك الأيوني، والاستقرار، والتوافق من النماذج الحاسوبية، يمكن للباحثين أن يضيقوا حيز البحث قبل التحقق التجريبي، فعلى سبيل المثال، حددت الدراسات الأخيرة موصلات تحل محلية جديدة عن طريق التخدير الجيني للهياكل الكريستالية.

خاتمة

يمكن أن تؤدي الممتلكات المادية [العملية] دوراً أساسياً في أداء البطاريات الليثيومية - الأسيونية، والسلوكيات الحرارية والكيميائية، والقوة الميكانيكية، والنوافذ الكهربية مجتمعةً، تحديد كثافة الطاقة، والقدرة على التداول، والسلامة.