[
* عنوان المقال هو إشارة إلى اسم الألبوم الأول لـ Fatboy Slim ، "Better Living Through Chemistry" / تقريبا. العابرة. ]
لا يمكن تسمية بطارية الرصاص الحمضية بمعجزة الهندسة الحديثة. إنه موثوق للغاية وسهل الاستخدام ، ولشحنه تحتاج فقط إلى تطبيق جهد ثابت عليه والانتظار قليلاً ؛ نتيجة لذلك ، يتم شحن البطارية وتبقى مشحونة بالكامل - هذا كل شيء. على الجانب الآخر من هذه البساطة هناك حجمها ووزنها وكثافة الطاقة وسمية المواد.
تعد بطارية الليثيوم بمثابة ضربة حديثة ، إلا أن كثافتها العالية من الطاقة تؤدي إلى حقيقة أن صندوقها الصغير يمكن أن يصبح غاضبًا ويصبح خطيرًا جدًا إذا تعرض لسوء المعاملة. يبحث العلماء عن خيارات أكثر أمانًا للبطارية وأنظمة شحن محسّنة وصيغ لإطالة عمر البطارية يمكن إعادة شحنها آلاف المرات ، وقد تسبب أحد المنشورات الحديثة في الكثير من الاستجابات الحماسية.
النظر في متطلبات خلية البطارية في السيارة الكهربائية:
- كثافة طاقة عالية (كمية كبيرة من الطاقة في بطارية صغيرة).
- إمكانية شحن سريع.
- إمكانية التفريغ السريع.
- الكثير من دورات الشحن / التفريغ.
- انخفاض التفريغ الذاتي.
- الأمن.
في الوقت الحالي ، تعد بطاريات الليثيوم أيون هي الخيار الأفضل ، ولكن هناك الكثير من التفاعلات الكيميائية مع الليثيوم ، واعتمادًا على الاستخدام المخطط لها ، والتوازن ، والشحن ، من الممكن تحسين مختلف أنواع التفاعل لخصائص التشغيل المختلفة. على الرغم من عدم وجود بطارية مثالية ، تضمن الطلبات المتضاربة توفر العديد من الخيارات في السوق.
كيف يعمل ليثيوم أيون
تفريغ بطارية ليثيوم أيونجميع البطاريات تعمل بنفس الطريقة. هناك ثلاثة مكونات: الأنود والكاثود والكهارل. التفاعل الكيميائي بين المنحل بالكهرباء والإلكترودات (القطب الموجب والكاثود) يخلق أيونات بالقرب من قطب كهربائي وإلكترونات بجانب آخر ، مما يؤدي إلى فرق محتمل. مصنوعة من أزواج من الأقطاب الكهربائية من مواد مختلفة. الأنود عبارة عن جرافيت مرتبط بالنحاس ، والكاثود عبارة عن بلورة الليثيوم المرتبطة بالألمنيوم. يعمل المنحل بالكهرباء مثل عازل ، لذلك من الأسهل على الإلكترونات أن تنتقل من إلكترود إلى آخر عبر دائرة مقارنة بالبطارية. في نهاية التفاعل ، لن يتم تفريغ البطارية ، ولن يحدث التفاعل بعد ذلك إذا لم يكن للإلكترونات مكان يذهبون إليه. لشحن البطارية ، تنعكس العملية ، ويبدأ الجهد الموفر للكهرباء في رد الفعل في الاتجاه المعاكس. لا يتم إنشاء جميع الشوارد على قدم المساواة. تسمح كيمياء البطارية ، التي لا يمكن إعادة شحنها ، بتخزين المزيد من الطاقة ، لكن تطبيق الجهد العكسي فيها لا يبدأ في رد الفعل الكيميائي مرة أخرى.
من الأفضل الكشف عن إمكانات البطارية من خلال زيادة مساحة سطح الأقطاب الكهربائية ، لذلك من الأفضل عمل شطيرة من الأنود والكهارل والكاثود بأرقى قدر ممكن ومع مساحة اتصال أكبر. تحتوي الساندويتش أيضًا على عدة شرائح من مواد مسامية أخرى تسمح للأيونات بالمرور ولكن تمنع المواد من الهجرة. خذ بعضًا من شطائر البطارية وقم بتكديسها معًا ، بالتناوب مع المقسمات. والنتيجة هي إما بطارية مسطحة (خلية رخيصة في غلاف فضي) ، أو بطارية منشورية (بطارية عصرية لن تجدها على جهاز كمبيوتر محمول) ، أو إذا قمت بلفها جميعًا في أنبوب - بطارية أسطوانية (على سبيل المثال ، 18650 ، أو AA) .
بطارية مليون ميل
ربما تكون قد قرأت بالفعل الأخبار التي تفيد بأن تيسلا تعد بإطلاق بطارية تدوم مليون ميل. تم تنفيذ العمل الحقيقي من قبل مجموعة من الباحثين من جامعة Dalhousie في هاليفاكس (كندا) بموجب عقد مع Tesla ، لكنهم أجروا الكثير من الاختبارات على بطاريات Li-ion المختلفة للعثور على أفضل مزيج من العناصر الكيميائية ، فضلاً عن ملفات تعريف الاستخدام والشحن. تعد بطارية Million Mile Battery مجرد ربط تسويقي يصف الأبحاث التي تعمل على تحسين الصيغ الكيميائية للبطاريات لزيادة عمر البطارية.
شغل في حد ذاته مع المصطلحات الفنية ، لذلك درست مسألة البطاريات كل عطلة نهاية الأسبوع لتحديد.
أول شيء جدير بالملاحظة فيما يتعلق بتركيبة "مليون ميل" الخاصة بهم - ليس هذا نموذجيًا لسلوك معظم سائقي سيارات اليوم ، وأصحاب السيارات المتوسطة الذين يقودون إلى العمل والمنزل. استهدف العلماء مثل هذا الاستخدام للسيارة ، والذي يتضمن السفر المستمر وشحن البطارية بعد التفريغ الكامل تقريبًا. هذا الوضع مناسب للشاحنات وسيارات الأجرة والحافلات. يستخدمون المصطلح 100٪ DOD ، أي "عمق التفريغ" هو عندما يتم استخدام البطارية حتى النهاية ، وعندها فقط يتم شحنها ، على عكس ، على سبيل المثال ، الهاتف الذكي الذي يتم شحنه كل ليلة ، بغض النظر عن حالة البطارية.
ما جاء للضوء: بطاريات مثل البرد. الصيغ الجديدة الساخنة
وجدوا أن درجة الحرارة مهمة جدا. سوف تدوم البطارية التي عملت معظم حياتها عند 20 درجة مئوية لفترة أطول من تلك التي عملت على 40 درجة مئوية ؛ ومع ذلك ، تفقد البطاريات التي تعمل في درجات حرارة عالية ، ثم تسقط في ظروف منخفضة ، السعة بنفس سرعة البطاريات التي تعمل دائمًا في درجات حرارة منخفضة. بمعنى آخر ، تفقد البطارية من ارتفاع درجة الحرارة بسرعة أكبر ، وفي درجة حرارة منخفضة ، تفقدها بسرعة كبيرة ، ويمكن لأي بطارية أن تتحرك هنا وهناك على هذا الرسم البياني دون أي تأثير للذاكرة. توفر درجات الحرارة المنخفضة معدل تدهور أقل على المستوى الجزيئي - تقليل الشقوق ، التشعبات ، جيوب الغاز ، إلخ. لقد استندوا إلى مدى أهمية الحفاظ على كل شيء في درجة حرارة منخفضة.
في التجارب السابقة ، قضى الباحثون الكثير من الوقت في دراسة مجموعات أخرى من العناصر الكيميائية ، لكنهم استقروا على أقطاب الجرافيت NMC532 (مثل معظم الأوساط العلمية). في الكيمياء ، NMC532 هو اسم آخر لـ LiNi
0.5 Mn
0.3 Co
0.2 O
2 . بعبارات بسيطة ، هذا يعني أن الكاثود يتكون بشكل أساسي من بلورات الليثيوم ، مع إضافة كمية صغيرة من النيكل والمنغنيز والكوبالت والأكسجين ، ويتكون الأنود من الجرافيت (على الرغم من أن دراسات الجرافين تبدو واعدة).
ومع ذلك ، فإن خاصية NMC532 / graphite ليست شاملة للبطارية. من الضروري أيضًا الإشارة إلى المنحل بالكهرباء. المنحل بالكهرباء عبارة عن مزيج من
LiPF 6 ، المذيبات والمواد المضافة ، بأسماء مضحكة للغاية
للتحدث بصوت عالٍ - مثل ثنائي ميثيل الكربونات أو سلفات الإيثيلين. في هذا العمل ، اختبروا عدة مجموعات من المذيبات. يمكن أن تؤثر الإضافات أيضًا على أداء الخلية عن طريق زيادة معدل الشحن / التفريغ عن طريق تقصير مدة الحياة ، أو العكس. بناءً على الدراسات السابقة ، أحبوا حقًا الصيغتين التكميليتين (2٪ FEC + 1٪ LFO ، و 2٪ VC + 1٪ DTD) ، على الرغم من أنهما وجدتا أنهما يتصرفان بشكل مختلف في درجات حرارة مختلفة ، واقترحوا اختيار المضافات وفقًا للهدف المقصود التطبيق. في صناعة البطاريات ، عادة ما يتم تصنيع المكونات الجافة أولاً ، ثم يضاف إليها بالكهرباء السائلة (قام سباركفون
بمقال تفصيلي يصف عملية الإنتاج).
عن طريق اختيار صيغة خاصة والحفاظ على درجة حرارة التشغيل منخفضة ، تمكن الباحثون من تقليل السببين الرئيسيين لتدهور البطارية ؛ فقدان الليثيوم وزيادة مقاومة. في المتوسط ، بمرور الوقت ، تصطدم أيونات الليثيوم ، تتحرك هنا وهناك ، إلى أماكن لا تسمح لها بالعمل. يمكن أن تتحول إلى عزل كهربائي ، وتجميعها في لوحات ، وتغصنات وأفلام سطحية ، وتتفاعل مع المكونات الأخرى للخلية ، ولا تشارك في الشحن والتفريغ. التشوهات الضارة ضارة بشكل خاص - يمكن لهذه البلورات في شكل إبر الليثيوم الحادة اختراق الفواصل وقصر الدائرة للخلية ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجات الحرارة ويؤدي إلى تفاعل ذاتي الاستدامة ، وفي نهاية المطاف إلى انفجار. تزداد المعاوقة بسبب تآكل الأقطاب الكهربائية وفقدان مساحة السطح القابلة للاستخدام ، بسبب التفاعلات الكيميائية أو التكسير أو تكوين طبقة سطحية مقاومة تسد القطب.
طرق تدهور البطارية. هناك الكثير منهم ، لكنهم في جوهرهم توصلوا إلى حقيقة أن "الذرات تتحرك حيث لا يحتاجون إليها"أحد الأسباب وراء جذب دراستهم اهتمامًا متزايدًا هو أنها كانت دقيقة ومفتوحة. استغرق الأمر ثلاث سنوات ، واستغرق الأمر تشغيل كل بطارية عبر آلاف دورات الشحن والتفريغ باستخدام أجهزة شحن وتفريغ دقيقة للغاية تسجل سعة البطارية - وكل ذلك من أجل الحصول على البيانات الأكثر اكتمالا. عادة ما يكون من الصعب جدًا قياس دورة حياة البطارية في الوضع المتسارع ؛ تخضع البطاريات لسرعات شحن / تفريغ أعلى مما هو مطلوب في الحياة العادية ، وتتلقى وقتًا أقل للاستعادة. حقيقة أن الباحثين أمضوا الكثير من الوقت في عملهم تشير إلى نتائج أكثر واقعية. كما أشاروا صراحة إلى:
على عكس التقارير التي تصف استخدام الخلايا التجارية ، قمنا بتضمين وصف كامل لجميع تفاصيل بطارياتنا ، بما في ذلك تكوين الأقطاب الكهربائية ، وتكوين المنحل بالكهرباء ، والمواد المضافة المستخدمة ، إلخ. يتم ذلك حتى يتمكن الأشخاص الآخرون من إعادة إنتاج هذه الخلايا واستخدامها لإجراء فحوصاتهم الخاصة.
من الجيد أن يحدث تغيير لرؤية دراسة ذات دعم تجاري ، يتم نشرها في المجال العام ، وحتى بموجب ترخيص المشاع الإبداعي.
على الرغم من انفتاح العمل ، فربما لن نرى بطاريات Li-ion محلية الصنع في المستقبل القريب. ربما نشهد انتقالًا تدريجيًا إلى الصيغ المقترحة ، ونود إعطاء مزيد من التأثير للتبريد ، لأن هذا يزيد بشكل كبير من عمر البطارية. نحن على يقين من أنك إذا كنت بحاجة إلى بطارية ، فستتمكن Tesla من بيعها لك قريبًا من أحد مصانعها الضخمة.