توصل فريق من العلماء الأمريكيين إلى حل لغز رئيسي وراء تدهور سعة بطاريات السيارات الكهربائية، والذي كان يتسبب في تقصير عمر البطارية، وفقدان أدائها، وفي بعض الحالات، اندلاع الحرائق، وقد سلطت الدراسة الجديدة الضوء على أسباب الإجهادات النانوية التي تؤدي إلى تشققات في نوع البطاريات شائعة الاستخدام اليوم، وطرحت حلولاً مبتكرة لتعزيز متانتها وكفاءتها.
وأجريت الدراسة المشتركة بين مختبر أرجون الوطني وكلية بريتزكر للهندسة الجزيئية في جامعة شيكاغو، حيث كشف الباحثون عن أن المواد أحادية البلورة المستخدمة في مهبط البطارية تتعرض لتدهور ميكانيكي مختلف عن المواد متعددة البلورات التقليدية.
وأكد خليل أمين، الزميل المتميز في أرجون وأستاذ مشارك في جامعة شيكاغو، أنه "لنجاح السيارات الكهربائية وغيرها من التقنيات الحديثة، يجب أن يثق الناس في سلامة البطاريات وقدرتها على العمل لفترة طويلة. فبدون هذه الثقة، لن يغامر أحد باستخدامها، ولن تنتشر التقنيات الحديثة في حياتنا اليومية كما نأمل".
على مدى السنوات الماضية، حاول الباحثون تحسين بطاريات الليثيوم أيون التقليدية التي تستخدم مواد غنية بالنيكل متعددة البلورات، لكنها كانت تعاني من مشاكل التشققات الناتجة عن التوسع والانكماش المستمر للجزيئات الأولية أثناء الشحن والتفريغ.
وواجهت المواد أحادية البلورة الجديدة مشاكل غير متوقعة، بسبب اتباعها لنفس مبادئ التصميم المطبقة على المواد متعددة البلورات، ما أدى إلى أداء متفاوت في بعض الحالات.
وأوضحت الدراسة، المنشورة في مجلة Nature Nanotechnology، أن التدهور في البطاريات أحادية البلورة يرجع أساسا إلى تشوهات الشبكة متعددة الأبعاد الناتجة عن التفاعلات الكيميائية غير المتجانسة، ما يؤدي إلى ضعف الاستقرار الهيكلي للجزيئات.
وكشفت الدراسة عن الدور الحيوي للكوبالت في تعزيز عمر البطارية من خلال تقليل الإجهاد، بينما يؤدي المنغنيز إلى زيادة التدهور الميكانيكي.
وأكدت الدراسة أن هذه النتائج لا تعني فقط الحاجة إلى استراتيجيات تصميم جديدة، بل أيضًا إلى استخدام مواد مختلفة لتحقيق الأداء الأمثل للبطاريات أحادية البلورة.
ويقول الباحثون إن إدراك الآلية الميكانيكية الجديدة لتدهور البطاريات يربط بشكل مباشر بين تركيب المادة ومسارات التدهور، مما يوفر رؤية أعمق لأسباب فقدان الأداء، ويأمل الفريق أن تساعد هذه النتائج صانعي البطاريات على تطوير بطاريات أكثر أمانا وموثوقية، قادرة على تقديم أداء ثابت لفترة أطول، مما يعزز ثقة المستهلكين ويحفز اعتماد السيارات الكهربائية بشكل أوسع.