وجد العلماء طريقة بسيطة بشكل مدهش لتحسين بطاريات الحالة الصلبة

هناك مادة جديدة تجعل بطاريات الليثيوم أطول عمرًا وأكثر كفاءة، وهي أخبار رائعة للسيارات الكهربائية وتخزين الطاقة النظيفة.

تعمل البطاريات على تشغيل جزء كبير من الحياة الحديثة، بدءًا من الهواتف الذكية وحتى السيارات الكهربائية، لكنها لا تزال تواجه تحديات كبيرة. وتظل تكاليف الإنتاج المرتفعة ومخاطر الحرائق أو الانفجارات مصدر قلق بالغ. لقد تم الترويج لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل كبديل أكثر أمانًا، إلا أن المهندسين ناضلوا من أجل توفير السلامة والأداء القوي والتكلفة المنخفضة في نفس الوقت. والآن، أظهر فريق بحث في كوريا الجنوبية أن أداء البطارية يمكن تحسينه بشكل كبير من خلال التصميم الهيكلي وحده – دون الاعتماد على معادن باهظة الثمن.

فريق بحث كوري يكشف عن اختراق في التصميم الهيكلي

كايست أعلنت يوم 7 يناير أن مجموعة بحثية بقيادة البروفيسور دونج هوا سيو من قسم علوم وهندسة المواد قد طورت استراتيجية تصميم جديدة لجميع مواد البطاريات ذات الحالة الصلبة. تضمن المشروع التعاون مع فرق بقيادة البروفيسور سونج كيون جونج (جامعة سيول الوطنية)، والبروفيسور يون سوك جونج (جامعة سيول الوطنية).جامعة يونسي) والبروفيسور كيونج وان نام (جامعة دونجوك). يستخدم أسلوبهم مواد خام منخفضة التكلفة مع تقديم أداء عالٍ وتقليل مخاطر الحريق أو الانفجار.

لماذا تعد بطاريات الحالة الصلبة أكثر أمانًا ولكن من الصعب تحسينها

تعتمد معظم البطاريات التقليدية على إلكتروليت سائل يسمح لأيونات الليثيوم بالتنقل بين الأقطاب الكهربائية. تستبدل بطاريات الحالة الصلبة هذا السائل بإلكتروليت صلب، مما يحسن السلامة بشكل كبير. ومع ذلك، أيونات الليثيوم لا تتحرك بسهولة من خلال المواد الصلبة. في العديد من التصميمات السابقة، كان تحقيق حركة الأيونات السريعة يتطلب معادن باهظة الثمن أو خطوات تصنيع معقدة.

استخدام الأنيونات ثنائية التكافؤ لإعادة تشكيل مسارات الأيونات

ولمعالجة هذه المشكلة، ركز الباحثون على تحسين كيفية انتقال أيونات الليثيوم داخل المنحل بالكهرباء الصلب. تركز حلهم على “الأنيونات ثنائية التكافؤ” مثل الأكسجين والكبريت. يمكن لهذه العناصر تغيير البنية البلورية للإلكتروليت من خلال أن تصبح جزءًا من إطارها الأساسي، مما يؤثر بشكل مباشر على كيفية تحرك الأيونات عبر المادة.

قام الفريق بتطبيق هذا المفهوم على إلكتروليتات الهاليد الصلبة القائمة على الزركونيوم (Zr) والمصنوعة من مواد غير مكلفة. ومن خلال إدخال الأنيونات ثنائية التكافؤ بعناية، تمكنوا من التحكم الدقيق في البنية الداخلية. مبدأ التصميم هذا، المسمى “آلية تنظيم الإطار”، يوسع المسارات التي تنتقل من خلالها أيونات الليثيوم ويقلل من الطاقة اللازمة لحركتها. إن ضبط بيئة الترابط والبنية البلورية حول أيونات الليثيوم سمح لها بالتحرك بشكل أسرع وأكثر سهولة.

التحليل المتقدم يؤكد التغيرات الهيكلية

وللتأكد من حدوث هذه التغيرات الداخلية، استخدم الباحثون عدة أدوات تحليلية عالية الدقة، منها:

• حيود الأشعة السينية السنكروترونية عالية الطاقة (السينكروترون XRD)
• تحليل دالة التوزيع الزوجي (PDF).
• التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية (XAS)
• نمذجة نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) للبنية الإلكترونية والانتشار

ساعدت هذه التقنيات الفريق على التحقق من كيفية تغير البنية البلورية وكيف أثرت هذه التغييرات على نقل أيونات الليثيوم.

مكاسب قوية في الأداء باستخدام مواد منخفضة التكلفة

وأظهر الاختبار أن الإلكتروليتات التي تحتوي على الأكسجين أو الكبريت تزيد من حركة أيونات الليثيوم بمقدار مرتين إلى أربع مرات مقارنة بالإلكتروليتات التقليدية القائمة على الزركونيوم. توضح هذه النتيجة أنه يمكن تحقيق مستويات الأداء المناسبة لتطبيقات بطاريات الحالة الصلبة بالكامل في العالم الحقيقي باستخدام مواد ميسورة التكلفة.

في درجة حرارة الغرفة، وصل المنحل بالكهرباء المشبع بالأكسجين إلى موصلية أيونية تبلغ حوالي 1.78 مللي سيميز/سم، في حين بلغ قياس النسخة المشبعة بالكبريت حوالي 1.01 مللي سيميز/سم. تعكس الموصلية الأيونية مدى سلاسة تحرك أيونات الليثيوم عبر المادة، وتعتبر القيم التي تزيد عن 1 مللي سيميز/سم بشكل عام كافية للاستخدام العملي للبطارية في درجة حرارة الغرفة.

تحويل ابتكار البطارية نحو تصميم أكثر ذكاءً

وسلط البروفيسور دونج هوا سيو الضوء على التأثير الأوسع للنتائج، قائلاً: “من خلال هذا البحث، قدمنا ​​مبدأ تصميم يمكنه في الوقت نفسه تحسين تكلفة وأداء بطاريات الحالة الصلبة بالكامل باستخدام مواد خام رخيصة. وإمكانية تطبيقه الصناعي عالية جدًا”. وأضاف المؤلف الرئيسي جاي سيونج كيم أن العمل يمثل تحولًا في التركيز من “ما هي المواد التي يجب استخدامها” إلى “كيفية تصميمها” عند تطوير مواد بطاريات الجيل التالي.

المرجع: “تنظيم الإطار القائم على الأنيون ثنائي التكافؤ في إلكتروليتات الهاليد الصلبة القائمة على الزركونيوم لبطاريات الحالة الصلبة بالكامل” بقلم جاي سيونج كيم، داسيول هان، جينيونج تشوي، يونجكيونج كيم، هاي يونج كيم، سول لي، جيوون سيو، سيونج هوي هام، يو يوب سونج، تشانغ داي لي، جوهو لي، هيرام كواك، جينسو كيم، يون سيوك جونغ، سونغ كيون جونغ، كيونغ وان نام ودونغ هوا سيو، 27 نوفمبر 2025، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-025-65702-2

تُدرج الدراسة جاي سيونغ كيم (KAIST) ودا سيول هان (جامعة دونغوك) كمؤلفين مشاركين أولين، وتم نشرها في المجلة الدولية Nature Communications في 27 نوفمبر 2025.

جاء تمويل البحث من مركز ترويج تكنولوجيا المستقبل التابع لشركة سامسونج للإلكترونيات، والمؤسسة الوطنية للأبحاث في كوريا، والمركز الوطني للحوسبة الفائقة.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.