تستخدم بطاريات الحالة الصلبة (SSBs) إلكتروليتات الحالة الصلبة ، مما يوفر أمانا محسنا واستقرارا في درجات حرارة أعلى وكثافة طاقة أعلى وحجما صغيرا ومتانة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية القائمة على الإلكتروليت السائل. تجد SSBs التطبيقات في الأجهزة الإلكترونية المحمولة والمزيد.
كيف تؤثر الأقطاب الكهربائية السميكة على التفاعلات الكهروكيميائية في بطاريات الحالة الصلبة (SSBs):
في الآونة الأخيرة ، أجرى فريق بحث من جامعة نورث إيسترن في بوسطن ومختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية اختبارات للتحقيق في كيفية تأثير تكوين الأقطاب الكهربائية السميكة على التفاعلات الكهروكيميائية في بطاريات الحالة الصلبة (SSBs). استخدم الفريق موارد من مصدر الفوتون المتقدم (APS) ، وهو مرفق مكتب علمي يقع في موقع أرجون التابع لوزارة الطاقة.
الإعداد التجريبي:
شبه الباحثون البطارية بشطيرة ، مع وجود أقطاب موجبة وسالبة على كلا الجانبين والفاصل والكهارل في المنتصف. عندما توفر البطارية الطاقة ، تتدفق أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر المنحل بالكهرباء. لا تتطلب SSBs فواصل تقليدية وبدلا من ذلك تستخدم إلكتروليت الحالة الصلبة لفصل الأقطاب الموجبة والسالبة ، مما يتطلب أقطاب موجبة أكثر سمكا.
في هذه الدراسة ، قام الفريق بتقييم أقطاب كهربائية موجبة سميكة تتكون من مادتين ، بما في ذلك إلكتروليت صلب كبريتيد يسمى LPSC و NMC (النيكل والمنغنيز والكوبالت) مادة نشطة للقطب الموجب (CAM). قام الباحثون بتنويع تكوين هاتين المادتين ، حيث تحتوي بعض البطاريات على 80٪ CAM و 20٪ LPSC ، والبعض الآخر يحتوي على 70٪ CAM و 30٪ LPSC ، أو 40٪ CAM و 60٪ LPSC. بعد ذلك ، تم استخدام التصوير بالأشعة السينية والتشتت على ست شرائح من القطب الموجب والإلكتروليت في الحالة الصلبة في خط شعاع APS 6-BM-A لقياسها.
قام الباحثون بتقسيم القطب الموجب إلى شرائح ، على أمل أن تؤدي جميع الشرائح نفس الوظيفة. في الواقع، يمكن أن يؤدي تغيير تركيب القطب الموجب أو سمكه إلى تغيير مكان حدوث التفاعلات الكهروكيميائية. قام الفريق بتمييز التفاعلات الكهروكيميائية داخل البطارية. عند دراسة البطاريات ، غالبا ما يتم قياس الطاقة في كلا الطرفين. ومع ذلك ، هناك هيكل معقد في المنتصف يحدد أداء البطارية. باستخدام أشعة الأشعة السينية لاختراق مواد البطارية ، يمكن للباحثين دراسة أداء الأجزاء المختلفة داخل البطارية بشكل غير مدمر.
النتائج:
تشير النتائج إلى أن تكوين القطب الموجب له تأثير كبير على عملية التفاعل الكهروكيميائي. على سبيل المثال ، في SSB مع قطب موجب 80٪ CAM ، تتفاعل شريحة القطب الموجب الأقرب إلى القطب السالب أولا ، وتتفاعل الشريحة الأبعد بشكل أبطأ. ومع ذلك ، في SSB مع قطب موجب 80٪ CAM ، تتفاعل الشريحة الأبعد أولا ، وتتفاعل أقرب شريحة أخيرا. قد تؤدي ارتفاعات التفاعل غير المتساوية إلى تدهور أسرع لمواد البطارية.
استنتاج:
لتصميم بطاريات أفضل ، يعد فهم التفاعلات التي تحدث داخل البطارية خطوة مهمة. يمكن استخدام هذه البطاريات في السيارات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية المحمولة والتطبيقات الأخرى. سيحدد التصميم المحدد لبطاريات الحالة الصلبة مجالات تطبيقها واتجاه التحسين في المستقبل.
