شقوق خفية داخل البطاريات تقلب قواعد تصميم السيارات الكهربائية

كشفت نتائج دراسة حديثة نتائج كارثية، عن عمر بطاريات الليثيوم، فقد كان يعتقد أن الكاثودات أحادية البلورة، هي حلّ واعد لمشكلة تدهور بطاريات الليثيوم، لكن المفاجأة أن هذه الكاثودات تعاني من تحديات داخلية غير متوقعة قد تؤدي إلى فشل مبكر للبطارية.
تم تصميم الكاثودات أحادية البلورة للتخلص من الفواصل الداخلية التي تبدأ عندها الشقوق في المواد متعددة البلورات،لكن الاختبارات المعملية أظهرت أن بعض هذه الكاثودات يبدأ بالتصدع من الداخل بعد نحو 100 دورة شحن وتفريغ فقط
وأوضحت الدراسة أن الفشل لا يحدث عند حدود واضحة بين البلورات، بل ينشأ داخل الجسيم الواحد نفسه.
ويؤدي هذا التصدع الداخلي إلى فقدان سعة البطارية بشكل أسرع، حتى مع بقاء المظهر الخارجي للكاثود سليماً.
تتبع باحثون من مختبر أرغون الوطني وجامعة شيكاغو كيفية تراكم الإجهاد داخل الكاثودات الغنية بالنيكل أثناء دورات التشغيل لفهم هذه الظاهرة المحيرة.
تعتمد العديد من المركبات الكهربائية على الكاثودات الغنية بالنيكل لأن النيكل يسمح بحركة أكبر لأيونات الليثيوم، ما يرفع كثافة الطاقة.
لكن هذا يأتي على حساب الاستقرار البنيوي، إذ تؤدي إزالة الليثيوم عند الفولتية العالية إلى إضعاف روابط الأكسجين، وزيادة قابلية المادة للتشقق.
وأظهرت الدراسة أن الإجهاد لا يتوزع بالتساوي داخل الجسيمات أحادية البلورة، فبعض المناطق تمتص الليثيوم أو تفقده أسرع من غيرها، ما يخلق تشوهات غير متجانسة داخل الشبكة البلورية.
ومع بطء انتقال الليثيوم عبر المسارات الطويلة، يتأخر قلب الجسيم عن السطح، فتتركز الضغوط في نقاط داخلية دقيقة، قادرة على إحداث شقوق حتى دون وجود حدود حبيبية.
وباستخدام تقنيات متقدمة مثل الأشعة السينية عالية الشدة في أجهزة السنكروترون والمجاهر الإلكترونية عالية الدقة، تمكن الباحثون من رسم خرائط للإجهاد الموضعي وتحديد المناطق التي تبدأ فيها الشقوق.
وأظهرت النتائج أن الاعتماد على مؤشرات التمدد أو الانكماش الكلي للجسيمات غير كافٍ، لأن بعض الجسيمات أحادية البلورة تطور إجهاداً محلياً عالياً رغم تغير حجمها بشكل طبيعي.
وركزت الدراسة على دور العناصر المضافة في استقرار الكاثود. فبينما تسعى الصناعة لتقليل استخدام الكوبالت بسبب تكلفته ومخاطره، تبين أن إضافة كميات صغيرة منه تساعد على تحسين تدفق الليثيوم وتقليل تراكم الإجهاد الداخلي.
في المقابل، أدى الاعتماد على المنجنيز وحده في بعض التركيبات إلى تباطؤ التفاعلات وزيادة عدم التوازن الداخلي، ما سرّع فقدان سعة البطارية.
يزيد من تفاقم هذه المشكلات الشحن السريع، حيث تتغير حالة سطح الجسيم بسرعة أكبر من قدرة اللب على الاستجابة، ما يرفع تدرج الإجهاد ويزيد احتمالات التصدع، ويقصر عمر البطارية.
تؤكد الدراسة أن إطالة عمر البطاريات تعتمد قليلاً على تعظيم كثافة الطاقة، وأكثر على تحقيق توازن داخلي متجانس في التفاعلات وفق موقع earth.
وتشير الدراسة إلى ضرورة إعادة التفكير في تصميم مواد الكاثود أحادية البلورة، والبحث عن بدائل منخفضة التكلفة للكوبالت، لضمان أداء آمن ومستقر على المدى الطويل للبطاريات.