بطارية الحالة الصلبة

بطارية الحالة الصلبة إنگليزية: solid-state battery، هي تكنولوجيا بطاريات تستخدم أقطاب كهربائية وكهارل صلبة بدلاً من كهارل الهلام الپوليمرية كما هو الحال في بطاريات الليثيوم-أيون أو پوليمر-الليثيوم.[1][2] تتضمن المواد المقترح استخدامات ككهارل صلبة في بطاريات الحالة الصلبة الخزف (مثل الأكاسيد والكبريتيدات والفوسفات) والپوليمرات الصلبة. تستخدم بطاريات الحالة الصلبة في منظمات ضربات القلب، أجهزة تحديد الهوية بموجات الراديو والأجهزة القابلة للارتداء. من المحتمل أن بطاريات الحالة الصلبة تكون أكثر أماناً، مع كثافة أعلى للطاقة، لكن بتكلفة أعلى بكثير.

تشمل التحديات التي تواجه اعتماد استخدام بطاريات الحالة الصلبة على نطاق واسع كثافة الطاقة والقدرة، التحمل، تكاليف المواد، الحساسية والاستقرار.[3]

رسم تخطيطي لتصميم بطارية ليثيوم هواء من نوع الحالة الصلبة

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

التاريخ

ما بين 1831 و1934، اكتشف مايكل فاراداي الكهارل الصلبة لكبريتيد الفضة وفلوريد الرصاص الثنائي، التي مهدت لأيونية الحالة الصلبة.[4][5]

في أواخر الخمسينيات، استخدمت العديد من الأنظمة الكهروكيميائية كهارل الحالة الصلبة. استخدمت أيون الفضة، لكنه كان ذو كثافة طاقة وجهد خلوي منخفضين، ومقاومة داخلية عالية.[6] في التسعينيات، طور مختبر اوك ريدج الوطني فئة جديدة من كهارل الحالة الصلبة، استخدمت لصنع بطاريات الليثيوم-أيون الغشاء الرقيق.[7]

عام 2011، أطلقت بولوري بلوكار المزودة ببطارية پوليمر فلز الليثيوم بقدرة 30 كيلوواط/ساعة بكهلر پوليمري تم تخليقه بحل ملح الليثوم في co-polymer (پولي‌اوكسي‌إثيلين).

عام 2013، أعلن باحثون في جامعة كلورادو بولدر عن تطوير بطارية ليثيوم الحالة الصلبة، والتي بقطب كهربائي مركب صلب يعتمد على كيميائية الحديد-الكبريت، بقدرة طاقة أعلى واعدة.[8]

عام 2014، أعلن باحثون في ساكتي3 عن بطارية ليثيوم-أيون الحالة الصلبة يزعم أنها ذات كثافة طاقة مرتفعة وبتكلفة أقل.[9] أعلنت تويوتا عن جهودها لتطوير بطارية حالة صلبة[10] وتحمل معظم براءات الاختراع ذات الصلة.[11] عام 2015، استحوذت شركة دايسون على ساكتي3.[12]

عام 2017، أعلن جون گودنف، مستثمر في بطاريات الليثيوم-أيون، عن بطارية حالة صلبة، تستخدم كهرل زجاجي ومصعد فلزي-قلوي يتألف من الليثيوم، الصوديوم أو الپوتاسيوم.[13] أعلنت تويوتا عن تعميق شراكتها التي استمرت عقود مع پاناسونيك، بما في ذلك التعاون في مجال بطاريات الحالة الصلبة.[14] كما أعلنت شركات أخرى لصناعة السيارات عن تطوير تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة، مثل بي إم دبليو،[15] هوندا،[16] هيونداي[17] ونيسان.[18] كما أعلنت دايسون لصناعة الأجهزة المنزلية[12] عن خطة لتصنيع سيارة كهربائية، ثم تراجعت عنها.[19] زعمت شركة فيسكر أن تكنولوجياتها للبطاريات الحالة الصلبة ستكون جاهزة "لإنتاج السيارات" في 2023.[20] تطور شركة إن جي كي لتصنيع شمعات الاحتراق بطاريات حالة صلبة تعتمد على الخزف.[21]

عام 2018، حصل برنامج صوليد پاور، التابع لمركز أبحاث جامعة كلورادو بولدر[22] علام 20 مليون دولار كتمويل لخط تصنيع صغير لإنتاج بطاريات ليثيوم الحالة الصلبة القابلة لإعادة الشحن،[23] بقدرة متوقعة تبلغ 10 كيلوواط/ساعة سنوياً.[24] أعلنت فولكس‌ڤاگن عن استثمار 100 مليون دولار في كوانتم‌سكيپ، شركة ناشئة لإنتاج بطاريات الحالة الصلبة that spun out of ستنافورد.[25] بدأت شركة چينگ تاو الصينية خط لإنتاج بطاريات الحالة الصلبة.[26]


المواد

انظر أيضاً: كهرل الحالة الصلبة

تتضمن المواد المرشحة لكهارل الحالة الصلبة مواد خزفية مثل أورثولوسيليكات الليثيوم،[27] الزجاج[13]الكبريتيدات.[28] وسيعتمد الليثيوم في إنتاج المهابط. تتضمن الأنواع LiCoO2، LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2، LiMn2O4، وLiNi0.8Co0.15Al0.05O2. ستكون المصاعد أكثر تنوعاً وستعتمد على نوع الكهرل. ستتضمن على سبيل المثال، In، GexSi1−x، SnO–B2O3، SnS –P2S5، Li2FeS2، FeS، NiP2، and Li2SiS3.[29]

ومن بين المهابط الواعدة الليثيوم-كبريت Li-S (كجزء من مصعد الليثيوم الصلب/خلية Li2S)، والتي تتمتع قدرة نظرية محددة تبلغ 1670 mAh g−1، "أكبر عشر مرات من القيمة الفعلية لـ LiCoO2". يعتبر الكبريت مهبطاً غير مناسباً في تطبيقات الكهارل السائلة لأنه قابل للذوبان في معظم الكهارل السائلة، مما يقلل بشكل كبير من عمر البطارية. استخدام الكبريت قيد الدراسة في تطبيقات الحالة الصلبة.[29] في الآونة الأخيرة، تم تطوير نسيج خزفي أظهر نتائج مبشرة في بطارية الحالة الصلبة LI-S، سهل هذا النسيج انتقال الأيونات أثناء التعامل أيضاً مع تحميل الكبريت، على الرغم من أنه لم يصل إلى كثافة الطاقة المتوقعة. وكانت النتيجة "مع دعم كهرل بسمك 500 ميكرومتر واستخدام 63% من مساحلة الكهرل" 71 واط.س/كگ. بينما كانت كثافة الطاقة المتوقعة 500 واط.س/ككگ.[30]

كما تتمتع بطارية الليثيوم هواء Li-O2 بقدرة نظرية عالية. المشكلة الرئيسية في هذه الأجهزة هي أن المصعد يجب أن يكون معزولاً عن المحيط الخارجي، بينما يكون المهبط متصلاً به.[29]

تظهر بطارية Li/LiFePO4 نتائج واعدة في تطبيقات الحالة الصلبة للمركبات الكهربائية. تم تقديم 200 دراسة وجدت أن هذه المادة بديلاً آمناً للبطاريات القابلة لإعادة الشحن for EV's that "surpass the USABC-DOE targets".[31]

الاستخدامات

لبطاريات الحالة الصلبة استخدامات محتملة في منظمات ضربات القلب، تحديد الهوية بموجات الراديو والأجهزة القابلة للارتداء.[32][33]

المركبات الكهربائية

انظر أيضاً: مركبة كهربائية

تستخدم السيارات الكهربائية والهجينة مجموعة متنوعة من تكنولوجيا البطاريات، وتتضمن بطاريات الليثيوم-أيون، بطارية الفلز-نيكل الهجينة (NiMH)، أكسيد الرصاص، المكثف الكهربائي ذو الطبقة المزدوجة أو (المكثف الفائق)،[34] وأكثرها استخدمات بطاريات الليثيوم-أيون.[35]

التحديات

التكلفة

عادة ما تكون بطاريات الحالة الصلبة مرتفعة التكلفة[36] وتوظف عمليات تصنيع يُعتقد أن من الصعب قياسها وتتطلب معدات ترسيب فراغي باهظة الثمن.[7] في 2012، اعتماداً على التكنولوجيا المتوافرة في ذلك الوقت، بلغ تكلفة إنتاج خلية بطارية حالة صلبة قدرة 20 أمپير/ساعة 100.000 دولار أمريكي، وتتطلب السيارة الكهربائية عالية النطاق من 800 إلى 1.000 خلية.[7] أعاقت التكلفة اعتماد بطاريات الحالة الصلبة في مجالات أخرى، مثل الهواتف الذكية.[32]

الحساسية لدرجات الحرارة والضغط

قد تمثل العمليات منخفضة الحرارة تحدياً.[36] عُرفت بطاريات الحالة الصلبة في وقت ما بأدائها الضعيف.[8]

تتطلب بطاريات الحالة الصلبة المصنوعة من الكهارل الخزفية ضغطاً عالياً للحفاظ على الاتصال بالأقطاب الكهربائية.[37] قد تنكسر بطاريات الحالة الصلبة المصنوعة من مواد خزفية جراء الضغط الميكانيكي.[7]

التغصنات البلورية

يتغصن فلز الليثيوم من القطب الموجب الذي يخترق الفاصل ويخرج باتجاه القطب السالب.

مصاعد فلز الليثيوم (Li) الصلبة في بطاريات الحالة الصلبة هي مرشح بديل في بطاريات الليثيوم-أيون لما تتمتع به من كثافة الطاقة أعلى، أمان، سرعة في إعادة الشحن. تميل هذه المصاعد إلى تكوين ونمو التغصنات البلورية.[38]

تخترق التغصنات الفاصل بين المصعد والمهبط مما يؤدي إلى تكوين دوائر قصر. يتسب هذا في ارتفاع الحرارة داخل الدائرة، مما قد يؤدي إلى نشوب حريق الذي قد يسفر في النهاية عن وقوع انفجار نتيجة الهروب الحراري.[39] تقلل تغصنات الليثيوم من كفاءة فاراداي.[40]

عادة ما تتشكل التغصنات خلال الترسيب الكهربائي[41] أثناء الشحن والتفريغ. تتجمع أيونان الليثيوم مع الإلكترونات عند سطح المصعد وقت شحن البطارية - لتشكل طبقة من فلز الليثيوم.[42] من الناحية المثالية، يحدث ترسب الليثيوم بالتساوي على المصعد. ومع ذلك، إذا كان النمو غير متساو، تتشكل التغصنات.[43]

تم العثور على الطور البيني للكهرل الصلب المستقر (SEI) ليكون الإستراتيجية الأكثر فاعلية لتثبيط نمو التغصنات وزيادة أداء التدوير.[40] قد تمنع كهارل الحالة الصلبة نمو التغصنات، على الرغم من أن هذا الأمر لا يزال غير مؤكداً.[39] وجدت دراسة أجريت عام 2018 أن الفواصل الخزفية النانوية تمنع نمو تغنصات الليثيوم حتى تصل إلى كثافة التيار.[44]

المزايا

يعتقد أن تكنولوجيا بطارية الحالة الصلبة توفر كثافة طاقة أعلى (2.5x)،[45] بتمكين مصاعد الليثيوم الفلزية.

يمكنها تجنب استخدام المواد الخطرة أو السامة الموجودة في البطاريات التجارية، مثل الكهارل العضوية.[46]

لأن معظم الكهارل السائلة تكون قابلة للاشتعال، فالكهارل الصلبة غير قابلة للاشتعال، ويعتقد أن بطاريات الحالة الصلبة أقل عرضة لالتقاط النيران. تتطلب بطاريات الحالة الصلبة القليل من أنظمة الأمان، وزيادة كثافة الطاقة.[1][46] تظهر الدراسات الحديثة أن توليد الحرارة الداخلية يبلغ فقط ~ 20-30% من البطاريات التقليدية مع احتمالية التسرب الحراري في الكهارل السائلة.[47]

يعتقد أن تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة تسمح بعملية شحن أسرع.[48][49] الجهد الكهربائي الأعلى ودورة الحياة الأطول محتملة أيضاً.[46][36]

انظر أيضاً

المصادر

  1. ^ أ ب Reisch, Marc S. (20 November 2017). "Solid-state batteries inch their way toward commercialization". Chemical & Engineering News. 95 (46): 19–21. doi:10.1021/cen-09546-bus.
  2. ^ Vandervell, Andy (26 September 2017). "What is a solid-state battery? The benefits explained". Wired UK. Retrieved 7 January 2018.
  3. ^ Weppner, Werner (September 2003). "Engineering of solid state ionic devices". International Journal of Ionics. 9 (5–6): 444–464. doi:10.1007/BF02376599. S2CID 108702066. Solid state ionic devices such as high performance batteries...
  4. ^ Funke K (August 2013). "Solid State Ionics: from Michael Faraday to green energy-the European dimension". Science and Technology of Advanced Materials. 14 (4): 043502. Bibcode:2013STAdM..14d3502F. doi:10.1088/1468-6996/14/4/043502. PMC 5090311. PMID 27877585.
  5. ^ Lee, Sehee (2012). "Solid State Cell Chemistries and Designs" (PDF). ARPA-E. Retrieved 7 January 2018.
  6. ^ Owens, Boone B.; Munshi, M. Z. A. (January 1987). "History of Solid State Batteries" (PDF). Defense Technical Information Center. Corrosion Research Center, University of Minnesota. Bibcode:1987umn..rept.....O. Retrieved 7 January 2018.
  7. ^ أ ب ت ث Jones, Kevin S.; Rudawski, Nicholas G.; Oladeji, Isaiah; Pitts, Roland; Fox, Richard. "The state of solid-state batteries" (PDF). American Ceramic Society Bulletin. 91 (2).
  8. ^ أ ب "Solid-state battery developed at CU-Boulder could double the range of electric cars". University of Colorado Boulder. 18 September 2013. Archived from the original on 7 November 2013. Retrieved 7 January 2018.
  9. ^ Dumaine, Brian (18 September 2014). "Will this battery change everything?". Fortune Magazine. Retrieved 7 January 2018.
  10. ^ Greimel, Hans (27 January 2014). "Toyota preps solid-state batteries for '20s". Automotive News. Retrieved 7 January 2018.
  11. ^ Baker, David R (3 April 2019). "Why lithium-ion technology is poised to dominate the energy storage future". www.renewableenergyworld.com. Bloomberg. Retrieved 7 April 2019.
  12. ^ أ ب "Vacuum Tycoon James Dyson To Roll Out An Electric Car By 2020". Forbes. 26 September 2017. Retrieved 7 January 2018.
  13. ^ أ ب "Lithium-Ion Battery Inventor Introduces New Technology for Fast-Charging, Noncombustible Batteries". University of Texas at Austin. 28 February 2017. Retrieved 7 January 2018.
  14. ^ Buckland, Kevin; Sagiike, Hideki (13 December 2017). "Toyota Deepens Panasonic Battery Ties in Electric-Car Rush". Bloomberg Technology. Retrieved 7 January 2018.
  15. ^ "Solid Power, BMW partner to develop next-generation EV batteries". Reuters. 18 December 2017. Retrieved 7 January 2018.
  16. ^ Krok, Andrew (21 December 2017). "Honda hops on solid-state battery bandwagon". Roadshow by CNET. Retrieved 7 January 2018.
  17. ^ Lambert, Fred (6 April 2017). "Hyundai reportedly started pilot production of next-gen solid-state batteries for electric vehicles". Electrek. Retrieved 7 January 2018.
  18. ^ "Honda and Nissan said to be developing next-generation solid-state batteries for electric vehicles". The Japan Times. Kyodo News. 21 December 2017. Retrieved 7 January 2018.
  19. ^ "Dyson scraps plans for electric car" (in الإنجليزية البريطانية). 2019-10-10. Retrieved 2019-10-10.
  20. ^ Lambert, Fred (14 November 2017). "Fisker claims solid-state battery 'breakthrough' for electric cars with '500 miles range and 1 min charging'". Electrek. Retrieved 7 January 2018.
  21. ^ Tajitsu, Naomi (21 December 2017). "Bracing for EV shift, NGK Spark Plug ignites all solid-state battery quest". Reuters. Retrieved 7 January 2018.
  22. ^ Danish, Paul (2018-09-12). "Straight out of CU (and Louisville): A battery that could change the world". Boulder Weekly (in الإنجليزية الأمريكية). Retrieved 2020-02-12.
  23. ^ "Solid Power raises $20 million to build all-solid-state batteries — Quartz". qz.com. Retrieved 2018-09-10.
  24. ^ "Samsung Venture, Hyundai Investing in Battery Producer". www.bloomberg.com. Retrieved 2018-09-11.
  25. ^ "Volkswagen becomes latest automaker to invest in solid-state batteries for electric cars". 22 Jun 2018.
  26. ^ Lambert, Fred (November 20, 2018). "China starts solid-state battery production, pushing energy density higher".
  27. ^ Chandler, David L. (12 July 2017). "Study suggests route to improving rechargeable lithium batteries". Massachusetts Institute of Technology. Researchers have tried to get around these problems by using an electrolyte made out of solid materials, such as some ceramics.
  28. ^ Chandler, David L. (2 February 2017). "Toward all-solid lithium batteries". Massachusetts Institute of Technology. Researchers investigate mechanics of lithium sulfides, which show promise as solid electrolytes.
  29. ^ أ ب ت Takada, Kazunori (2013-02-01). "Progress and prospective of solid-state lithium batteries". Acta Materialia. The Diamond Jubilee Issue. 61 (3): 759–770. doi:10.1016/j.actamat.2012.10.034. ISSN 1359-6454.
  30. ^ Gong, Yunhui; Fu, Kun; Xu, Shaomao; Dai, Jiaqi; Hamann, Tanner R.; Zhang, Lei; Hitz, Gregory T.; Fu, Zhezhen; Ma, Zhaohui; McOwen, Dennis W.; Han, Xiaogang (2018-07-01). "Lithium-ion conductive ceramic textile: A new architecture for flexible solid-state lithium metal batteries". Materials Today. 21 (6): 594–601. doi:10.1016/j.mattod.2018.01.001. ISSN 1369-7021. OSTI 1538573.
  31. ^ Damen, L.; Hassoun, J.; Mastragostino, M.; Scrosati, B. (2010-10-01). "Solid-state, rechargeable Li/LiFePO4 polymer battery for electric vehicle application". Journal of Power Sources. 195 (19): 6902–6904. Bibcode:2010JPS...195.6902D. doi:10.1016/j.jpowsour.2010.03.089. ISSN 0378-7753.
  32. ^ أ ب Carlon, Kris (24 October 2016). "The battery technology that could put an end to battery fires". Android Authority. Retrieved 7 January 2018.
  33. ^ "Will solid-state batteries power us all?". The Economist. 16 October 2017. Retrieved 7 January 2018.
  34. ^ "Batteries for Hybrid and Plug-In Electric Vehicles". Alternative Fuels Data Center. Retrieved 7 January 2018.
  35. ^ "Energy Storage". National Renewable Energy Laboratory. Retrieved 7 January 2018. Many automakers have adopted lithium-ion (Li-ion) batteries as the preferred EDV energy storage option, capable of delivering the required energy and power density in a relatively small, lightweight package.
  36. ^ أ ب ت Jones, Kevin S. "State of Solid-State Batteries" (PDF). Retrieved 7 January 2018.
  37. ^ "New hybrid electrolyte for solid-state lithium batteries". 21 December 2015. Retrieved 7 January 2018.
  38. ^ Wood, Kevin N.; Kazyak, Eric; Chadwick, Alexander F.; Chen, Kuan-Hung; Zhang, Ji-Guang; Thornton, Katsuyo; Dasgupta, Neil P. (2016-10-14). "Dendrites and Pits: Untangling the Complex Behavior of Lithium Metal Anodes through Operando Video Microscopy". ACS Central Science. 2 (11): 790–801. doi:10.1021/acscentsci.6b00260. PMC 5126712. PMID 27924307.
  39. ^ أ ب Jiang, Hanqing; Tang, Ming; Duan, Huigao; Wang, Fan; Yang, Haokai; Xu, Wenwen; Hong, Liang; Zeng, Wei; Wang, Xu (March 2018). "Stress-driven lithium dendrite growth mechanism and dendrite mitigation by electroplating on soft substrates". Nature Energy. 3 (3): 227–235. Bibcode:2018NatEn...3..227W. doi:10.1038/s41560-018-0104-5. ISSN 2058-7546. S2CID 139981784.
  40. ^ أ ب Cheng, Xin-Bing; Zhang (17 November 2015). "A Review of Solid Electrolyte Interphases on Lithium Metal Anode". Advanced Science. 3 (3): 1500213. doi:10.1002/advs.201500213. PMC 5063117. PMID 27774393.
  41. ^ Zhang, Ji-Guang; Xu, Wu; Henderson, Wesley A. (2016-10-07), Application of Lithium Metal Anodes, Springer International Publishing, pp. 153–188, doi:10.1007/978-3-319-44054-5_4, ISBN 9783319440538 
  42. ^ Harry, Katherine Joann (2016-05-01). "Lithium dendrite growth through solid polymer electrolyte membranes" (in English). doi:10.2172/1481923. OSTI 1481923. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)CS1 maint: unrecognized language (link)
  43. ^ Newman, John; Monroe, Charles (2003-10-01). "Dendrite Growth in Lithium/Polymer Systems A Propagation Model for Liquid Electrolytes under Galvanostatic Conditions". Journal of the Electrochemical Society. 150 (10): A1377–A1384. doi:10.1149/1.1606686. ISSN 0013-4651.
  44. ^ Bazant, Martin Z.; Brushett, Fikile R.; Li, Ju; Su, Liang; Kushima, Akihiro; Wang, Miao; Guo, Jinzhao; Bai, Peng (2018-11-21). "Interactions between Lithium Growths and Nanoporous Ceramic Separators". Joule (in English). 2 (11): 2434–2449. doi:10.1016/j.joule.2018.08.018. ISSN 2542-4785.{{cite journal}}: CS1 maint: unrecognized language (link)
  45. ^ Dudney, Nancy J; West, William C; Nanda, Jagjit, eds. (2015). Handbook of Solid State Batteries. Materials and Energy. Vol. 6 (2nd ed.). World Scientific Publishing Co. Pte. doi:10.1142/9487. hdl:10023/9281. ISBN 978-981-4651-89-9.
  46. ^ أ ب ت Bullis, Kevin (19 April 2011). "Solid-State Batteries - High-energy cells for cheaper electric cars". MIT Technology Review. Retrieved 7 January 2018.
  47. ^ Inoue, Takao; Mukai, Kazuhiko (2017-01-18). "Are All-Solid-State Lithium-Ion Batteries Really Safe?–Verification by Differential Scanning Calorimetry with an All-Inclusive Microcell". ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (2): 1507–1515. doi:10.1021/acsami.6b13224. ISSN 1944-8244. PMID 28001045.
  48. ^ Eisenstein, Paul A. (1 January 2018). "From cellphones to cars, these batteries could cut the cord forever". NBC News. Retrieved 7 January 2018.
  49. ^ Limer, Eric (25 July 2017). "Toyota Working on Electric Cars That Charge in Minutes for 2022". Popular Mechanics. Retrieved 7 January 2018.

وصلات خارجية

تمّ الاسترجاع من "https://www.marefa.org/w/index.php?title=بطارية_الحالة_الصلبة&oldid=2947501"