كيفية إطالة عمر خدمة بطاريات الليثيوم وتحسين سلامتها؟
مع النمو المستمر للأجهزة الذكية الرقمية وسوق السيارات الكهربائية ، يمكن القول بأن بطاريات الليثيوم المعدنية هي إحدى تقنيات تخزين الطاقة عالية الكثافة الواعدة. يُعد مصنعو مصابيح الشارع LED مصدرًا للضوء البارد ذو الحالة الصلبة ، والذي يتميز بخصائص حماية البيئة ، وعدم التلوث ، وانخفاض استهلاك الطاقة ، وكفاءة الإضاءة العالية ، والعمر الطويل. لذلك ، ستصبح مصابيح الشوارع LED خيارًا جيدًا للتحول الموفر للطاقة لإضاءة الطريق. إن مصابيح الشارع LED هي نوع من مصادر الضوء ذات الحالة الصلبة عالية الكفاءة والتي تتكون من تقاطع شبه موصل PN والذي يمكن أن ينبعث منه ضوء مع طاقة كهربائية ضعيفة. تحت جهد متحيز أمامي معين وتيار الحقن ، تكون الثقوب المحقونة في المنطقة P والإلكترونات المحقونة في المنطقة N في المنطقة بعد أن تنتشر إلى المنطقة النشطة ، تنبعث الفوتونات من خلال إعادة التركيب الإشعاعي ، والذي يحول الطاقة الكهربائية مباشرة إلى طاقة ضوئية . ومع ذلك ، فإن إحدى العقبات الرئيسية أمام تكنولوجيا بطاريات الليثيوم المعدنية هي ظهور تشعبات الليثيوم التي لا يمكن السيطرة عليها ، مما يؤدي إلى ضعف قدرات الشحن ومخاطر السلامة المحتملة. إن مصابيح الشارع LED هي نوع من مصادر الضوء ذات الحالة الصلبة عالية الكفاءة والتي تتكون من تقاطع شبه موصل PN والذي يمكن أن ينبعث منه ضوء مع طاقة كهربائية ضعيفة. تحت جهد متحيز أمامي معين وتيار الحقن ، تكون الثقوب المحقونة في المنطقة P والإلكترونات المحقونة في المنطقة N في المنطقة بعد أن تنتشر إلى المنطقة النشطة ، تنبعث الفوتونات من خلال إعادة التركيب الإشعاعي ، والذي يحول الطاقة الكهربائية مباشرة إلى طاقة ضوئية .
تشعبات الليثيوم هي إبر تنمو على سطح معدن الليثيوم عند استخدام الليثيوم كسالب أو أنود للبطارية. يمكن أن يسبب تفاعلات جانبية ضارة ، ويقلل من كثافة الطاقة ، بل وقد يتسبب في حدوث دائرة كهربائية قصيرة من الأقطاب ، مما يتسبب في نشوب حريق أو انفجار.
وجدت دراسة جديدة من جامعة ولاية أريزونا أن استخدام طبقة ثلاثية الأبعاد بوليديميثيل سيلوكسان (PDMS) كمادة مصفوفة لأنود معدن الليثيوم في البطارية يمكن أن يمنع بشكل فعال تشكيل تشعبات الليثيوم. إطالة عمر البطارية وتقليل مخاطر السلامة. نُشر البحث في مجلة NatureEnergy الجديدة في 6 مارس.
قال الباحث الرئيسي في الورقة ، البروفيسور جيانغ هانكينج ، إن هذا الاكتشاف له آثار مهمة على بطاريات الليثيوم أيون ، وبطاريات الليثيوم الهوائية ، وبطاريات الأنود المعدنية الأخرى. لأن جميع المعادن المستخدمة تقريبًا كأنودات للبطارية ستنتج التشعبات ، مثل بطاريات الزنك والصوديوم والألمنيوم.
قال Jianghanqing إنه وفريقه لا يحاولون حل المشكلة من منظور المواد أو الكيمياء الكهربائية ، ولكن من منظور المهندسين الميكانيكيين. قال:&مثل ؛ تُظهر الأبحاث المعروفة أن إبرًا صغيرة من القصدير أو شعيرات من الصفيح (تشبه التشعبات) تبرز من سطح معدن القصدير تحت الضغط. لذلك ، قمنا بدراسة أسباب نمو تشعبات الليثيوم عن طريق القياس. -ضغط عصبي.&مثل ؛ إمكانية&مثل ؛
في الجولة الأولى من البحث ، أضاف الباحثون طبقة من PDMS المرن إلى قاع أنود البطارية ووجدوا أن نمو تشعبات الليثيوم قد انخفض بشكل كبير. يوضح تحليل الباحث&أن الإجهاد المتراكم في قطب الليثيوم المعدني يتم إطلاقه بواسطة مصفوفة PDMS في شكل تشوه تجعد ، وهذا الاتجاه لتقليل التغصنات يرتبط ارتباطًا مباشرًا بإطلاق الإجهاد.
& مثل ؛ هذه هي التجربة الأولى لإثبات أن الإجهاد المتبقي يلعب دورًا رئيسيًا في تكوين تشعبات الليثيوم ،&مثل ؛ قال جيانغ هانكينغ.
بالإضافة إلى دراسة آلية نمو تشعبات الليثيوم ، قام فريق جيانغ هانكينغ&أيضًا بدراسة كيفية استخدام هذه الظاهرة (إطلاق الإجهاد لتقليل نمو التغصنات) لإطالة عمر بطاريات الليثيوم المعدنية مع الحفاظ على طاقة أعلى كثافة.
الطريقة التي اقترحها الباحثون هي تحويل مصفوفة pdms إلى هيكل ثلاثي الأبعاد بأسطح منحنية متعددة.&مثل ؛ باستخدام مكعب سكر مع عدد كبير من المسام الصغيرة كقالب ، تدخل pdms المسام داخل مكعب السكر لتشكيل قاعدة شبكة متصلة ، ثم صفيحة طبقة رقيقة من النحاس لتوصيل الإلكترونات. تمتلئ هذه المسام بالليثيوم المعدني. أوضح Jianghanqing:&مثل ؛ كطبقة إسفنجية مسامية ، يمكن أن تقلل pdms الضغط بشكل فعال وتمنع نمو التشعبات.&مثل ؛
