لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أن تراكم الفيلم الحتمي على أقطاب البطارية القابلة لإعادة الشحن هو المسؤول عن تدهور الأداء. لكن دراسة حديثة أجريت في الولايات المتحدة وجدت أن هناك في الواقع أسبابا أخرى وراء تراجع الأداء. اكتشف فريق بحث من المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (PNNL) أن تراكم رواسب معدن الليثيوم في الهياكل المطحونة أو الشبيهة بالأشجار على أقطاب البطارية ليس السبب الجذري لتدهور الأداء، بل هو أحد الآثار الجانبية.
وقد نُشرت أحدث النتائج التي توصلوا إليها مؤخرًا في مجلة Nature Energy.
تظهر نتائجهم أن ما يسمى بواجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI) ليست عازلًا إلكترونيًا كما كان يُعتقد سابقًا، ولكنها تتصرف مثل أشباه الموصلات. يعمل SEI كحارس، مما يسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بحرية داخل وخارج الأنود. لقد ركز العلماء منذ فترة طويلة على دراسة طبقة SEI هذه، والتي على الرغم من كونها أرق من قطعة من الورق، إلا أنها تلعب دورًا كبيرًا في أداء البطارية.
يتشكل SEI أثناء دورة الشحن الأولى عندما تكون البطارية جديدة وتظل مستقرة بشكل مثالي طوال العمر المتوقع للبطارية. لكن النظر داخل بطارية قديمة قابلة لإعادة الشحن عادة ما يكشف عن تراكم كبير من الليثيوم الصلب على القطب السالب. يعتقد الباحثون في مجال البطاريات أن هذا التراكم يؤدي إلى تدهور الأداء. ولكن كان من المستحيل في السابق قياس السبب والنتيجة.
وفي أحدث أبحاثهم، قاموا بحل هذه المشكلة من خلال تطوير تقنية جديدة لقياس موصلية SEI مباشرة في الأنظمة التجريبية. قام الفريق بدمج المجهر الإلكتروني النافذ مع المعالجة النانوية للإبر المعدنية الدقيقة داخل المجهر. ثم قام الباحثون بقياس الخواص الكهربائية لطبقات SEI المتكونة على معدن النحاس أو الليثيوم باستخدام أربعة أنواع مختلفة من الإلكتروليتات.
ومن خلال القيام بذلك، قاموا بحل لغز طويل الأمد حول كيفية عمل SEI في تشغيل البطارية. وأظهرت قياسات الفريق أنه مع زيادة جهد الخلية، تسربت طبقة SEI الإلكترونات في جميع الحالات، مما يجعلها شبه موصلة. بالإضافة إلى ذلك، فإن المكونات العضوية المحتوية على الكربون في طبقة SEI تسرّب الإلكترونات بسهولة وتقصر عمر البطارية.
وقال تشونغ مين وانغ، الباحث في مختبر PNNL وخبير تكنولوجيا البطاريات الذي شارك في قيادة الدراسة: "إن الموصلية العالية تؤدي إلى زيادة سمك SEI وأشكال الليثيوم الصلبة المعقدة، مما يؤدي في النهاية إلى ضعف أداء البطارية".
عند هذه النقطة، خلص الباحثون إلى أن تقليل المكونات العضوية في SEI سيؤدي إلى عمر أطول للبطارية.
وأضاف وانغ: "حتى التغييرات الصغيرة في معدل التوصيل من خلال SEI يمكن أن تؤدي إلى اختلافات كبيرة في الكفاءة واستقرار دورة البطارية".