باحثون في سنغافورة يطيلون عمر بطاريات الحالة الصلبة لكن اختراق السيارات الكهربائية لا يزال بعيداً

يعالج الحل نقطتي ضعف قديمتين في بطاريات الصوديوم.

الصوديوم ليس وافداً جديداً إلى كيمياء البطاريات، لكن النسخ المعتمدة على إلكتروليت صلب عانت طويلاً مشكلتين متكررتين. تتحرك أيونات الصوديوم ببطء شديد داخل البوليمر، بينما يستطيع مصعد الصوديوم المعدني تكوين تغصنات أثناء الشحن. هذه البنى الشبيهة بالإبر قد تخترق الخلية وتسبب دائرة قصر.

نشر فريق من College of Design and Engineering في National University of Singapore عمله في Advanced Functional Materials. أضاف الباحثون نيتريد الكربون الغرافيتي، أو GCN، إلى إلكتروليت قائم على أكسيد البولي إيثيلين وملح صوديوم. تُصنع المادة بتسخين اليوريا في الهواء إلى 550 درجة مئوية، لتتكوّن صفائح بسماكة تقارب 2 نانومتر.

داخل الإلكتروليت، يؤدي GCN وظيفتين مفيدتين في الوقت نفسه. أولاً، يفكك المناطق البلورية الصلبة في البوليمر ويخلق مناطق أكثر لا تبلوراً، حيث تستطيع أيونات الصوديوم الحركة بحرية أكبر. ثانياً، تساعد المواقع السطحية الغنية بالنيتروجين على فصل أيونات الصوديوم عن الأيونات المقابلة في الملح، لترفع عدد انتقال أيونات الصوديوم من 0.19 إلى 0.51. كما زادت الموصلية الأيونية عند 55 درجة مئوية إلى أكثر من الضعف.

الأهم هو إبطاء التغصنات.

يوفر مصعد الصوديوم المعدني كثافة طاقة نظرية قوية، لكن المعدن يترسب بشكل غير متجانس أثناء الشحن. من هنا تبدأ التغصنات بالنمو، مهددة الخلية من الداخل.

أظهر الإلكتروليت المركب المعزز بـGCN صلابة أعلى بثلاث مرات من البوليمر الأصلي. والأهم أنه ساعد على تكوين طبقة وقائية غير عضوية قائمة على الصوديوم فوق سطح المصعد، ما يوجه ترسب المعدن بصورة أكثر انتظاماً. في اختبار مقارنة، تعرض الإلكتروليت البوليمري غير المعدل لدائرة قصر بعد 250 ساعة عند كثافة تيار 0.1 mA لكل سم². أما إلكتروليت GCN فاستمر 1000 ساعة عند الحمل نفسه، وأكثر من 2000 ساعة عند 0.2 mA لكل سم².

عند كثافة التيار نفسها، أظهر الاختبار تحسناً يقارب أربعة أضعاف في عمر البطارية. وتحت حمل أقسى، تجاوز 2000 ساعة. هذه نقطة مهمة، لأن مقاومة التغصنات تكشف عن السلامة العملية لبطارية معدنية صلبة أكثر مما تكشفه أي قيمة لافتة منفردة للقدرة.

أظهرت الخلية الكاملة عمراً دورياً قوياً.

بنى الباحثون أيضاً خلية كاملة بإلكتروليت صلب، استخدمت كاثود فوسفات فاناديوم الصوديوم المطعم بالزنك والمغطى بالكربون، مع مصعد من الصوديوم المعدني. عند معدل شحن وتفريغ 0.5C، احتفظت الخلية بـ95 في المئة من سعتها بعد 500 دورة، بينما بلغت الكفاءة الكولومبية نحو 99.97 في المئة. ببساطة، يعني 1C شحن البطارية خلال ساعة تقريباً، بينما يعني 2C نحو نصف ساعة.

ولإظهار السلامة الميكانيكية، صنع الفريق أيضاً خلية كيسية أحادية الطبقة شغلت مصباح LED أثناء طيها وفردها وقصها. هذا لا يثبت جاهزيتها لحزمة بطارية سيارة كهربائية، لكنه يوضح سبب امتلاك الإلكتروليتات الصلبة ميزة سلامة مقارنة بالخلايا ذات الإلكتروليت السائل.

هذا ليس منافساً لـCATL في السيارات الكهربائية بعد.

بالنسبة إلى صناعة السيارات، يجب قياس هذه النتيجة بما يتجه فعلاً نحو الإنتاج، لا بمثال مختبري مثالي. بطارية أيون الصوديوم Naxtra من CATL تتجه إلى الاستخدام في الإنتاج التسلسلي مع Changan، وتعلن CATL أن كثافة طاقة الخلية تصل إلى 175 واط ساعة لكل كغ. ومع بنية cell-to-pack، قد يتيح ذلك مدى يتجاوز 400 كم، مع هدف مستقبلي بين 500 و600 كم. لكنها ليست بطارية صوديوم معدني بإلكتروليت صلب.

عمل سنغافورة يلعب في ملعب مختلف. قوته ليست في أقصى مدى قيادة، على الأقل حتى الآن. قوته في السلامة، والمواد الخام الأقل تكلفة، وإمكان تقليل الاعتماد على الليثيوم. يبقى القيد الأكبر درجة حرارة التشغيل. جاءت أقوى نتيجة عند 55 درجة مئوية، بينما الهدف التالي هو تشغيل مستقر عند 45 درجة مئوية. بطارية سيارة كهربائية في أوروبا يجب أن تعمل ضمن نافذة مناخية أوسع بكثير، لا داخل مختبر دافئ فقط.

قد يظهر الأثر في أوروبا أولاً في التخزين، لا في السيارات الكهربائية عالية الأداء.

تحتاج أوروبا بشكل أكثر إلحاحاً إلى بطاريات رخيصة وآمنة وأقل تعرضاً لمخاطر المواد الخام في تخزين الشبكات وتخزين مزارع الطاقة الشمسية. في هذه التطبيقات، تصبح الطاقة لكل كغ أقل أهمية من السعر، وسلامة الحريق، والعمر الدوري، وتكلفة الصيانة. هنا تحديداً يمكن لبطارية صوديوم ذات إلكتروليت صلب أن تبدأ الضغط على بطاريات LFP.

في السيارات الكهربائية، يرجح أن تظهر كيمياء الصوديوم أولاً في سيارات المدن الأرخص، والمركبات التجارية، والطرازات المخصصة للمناخات الأبرد، حيث قد يتفوق السعر وتحمل الحرارة على عيب كثافة الطاقة الأقل. أما السيارات الكهربائية الفاخرة والطرازات بعيدة المدى فستبقى خلال السنوات القليلة المقبلة في نطاق كيمياءات الليثيوم عالية الطاقة.

لمحة تقنية سريعة.

الإلكتروليت: إلكتروليت بوليمري صلب قائم على أكسيد البولي إيثيلين وملح الصوديوم، مع إضافة صفائح GCN بسماكة 2 نانومتر.

نقل الأيونات: زادت الموصلية الأيونية إلى أكثر من الضعف عند 55 درجة مئوية، بينما ارتفع عدد انتقال أيونات الصوديوم من 0.19 إلى 0.51.

مقاومة التغصنات: عمل الإلكتروليت المركب 1000 ساعة عند 0.1 mA لكل سم²، وأكثر من 2000 ساعة عند 0.2 mA لكل سم².

الخلية الكاملة: احتفاظ بـ95 في المئة من السعة بعد 500 دورة عند 0.5C، مع كفاءة كولومبية تقارب 99.97 في المئة.

القيد الرئيسي: لا تزال التقنية تحتاج إلى درجات تشغيل أقل ونماذج أولية بحجم أكبر.

الاختراق حقيقي، لكن الفجوة حقيقية أيضاً بين خلية مختبرية ذكية وحزمة بطارية تتحمل سنوات من الشحن، والصقيع، والحرارة، والسائقين قليلي الصبر.