أعلن باحثون من جامعة ستانفورد عن تقدم محتمل في تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة، حيث أفادوا بأن طبقة نانوية من الفضة يمكن أن تعزز بشكل كبير النواة الخزفية لهذه البطاريات، مما يعالج عقبة رئيسية أمام اعتمادها على نطاق واسع. تعد بطاريات الحالة الصلبة، التي تستبدل الإلكتروليت السائل القابل للاشتعال الموجود في بطاريات الليثيوم أيون الحالية بمادة صلبة، بكثافة طاقة أكبر، وأوقات شحن أسرع، وسلامة محسنة. ومع ذلك، فقد عانت من ميل إلى التشقق والفشل بمرور الوقت.

اكتشف فريق البحث، بقيادة البروفيسور تشاويانغ تشاو، أن تطبيق طبقة رقيقة ذرية من الفضة على الإلكتروليت الخزفي يساعد على سد العيوب المجهرية ومنع تشعبات الليثيوم - وهي نتوءات تشبه الأصابع من الليثيوم يمكن أن تسبب ماس كهربائي - من الانتشار. تعمل طبقة الفضة هذه بشكل أساسي كحاجز وقائي، مما يعزز السلامة الهيكلية للبطارية.

أوضح تشاو: "تساعد الفضة على إعادة توزيع أيونات الليثيوم بشكل أكثر توازناً، مما يمنع تكوين نقاط إجهاد موضعية تؤدي إلى التشقق". تشير النتائج، التي نُشرت في مجلة Advanced Materials، إلى اتباع نهج بسيط وقابل للتطوير نسبياً للتغلب على أحد أهم العقبات في تطوير بطاريات الحالة الصلبة.

تمثل بطاريات الحالة الصلبة تقنية تحويلية محتملة لمجموعة من التطبيقات، بما في ذلك المركبات الكهربائية والإلكترونيات المحمولة وتخزين الطاقة على نطاق الشبكة. يمكن أن تمكن كثافة الطاقة العالية للمركبات الكهربائية بمدى أطول، في حين أن سلامتها المحسنة يمكن أن تقلل من خطر حرائق البطاريات. يمكن لأوقات الشحن الأسرع التي توفرها بطاريات الحالة الصلبة أن تجعل المركبات الكهربائية أكثر ملاءمة للمستهلكين.

يعتمد الجيل الحالي من بطاريات الليثيوم أيون على إلكتروليت سائل، وهو قابل للاشتعال ويمكن أن يتحلل بمرور الوقت، مما يحد من عمر البطارية. تزيل بطاريات الحالة الصلبة هذا المكون السائل، مما يوفر بديلاً أكثر أماناً ومتانة. ومع ذلك، فقد شكلت هشاشة الإلكتروليتات الصلبة تحدياً هندسياً كبيراً.

يعالج ابتكار فريق ستانفورد هذا التحدي من خلال الاستفادة من الخصائص الفريدة للفضة على المستوى النانوي. يتم تطبيق طبقة الفضة باستخدام عملية تسمى ترسيب الطبقة الذرية، مما يسمح بالتحكم الدقيق في سمك وتوحيد الطلاء.

قالت الدكتورة إميلي كارتر، خبيرة علوم المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والتي لم تشارك في الدراسة: "إن معالجة الفضة النانوية هذه تغير قواعد اللعبة". "إنه يوفر حلاً عملياً لمشكلة التشقق التي أعاقت تطوير بطاريات الحالة الصلبة لسنوات."

يعمل الباحثون الآن على تحسين عملية طلاء الفضة واختبار الأداء طويل الأجل لبطاريات الحالة الصلبة التي تتضمن هذه التقنية. كما أنهم يستكشفون استخدام معادن أخرى، مثل النحاس والألومنيوم، كبدائل محتملة للفضة.

يرتبط تطوير بطاريات الحالة الصلبة ارتباطاً وثيقاً بالتقدم في الذكاء الاصطناعي وعلوم المواد. تُستخدم خوارزميات الذكاء الاصطناعي لتحليل مجموعات البيانات الضخمة لخصائص المواد والتنبؤ بأداء تركيبات الإلكتروليت المختلفة. تُستخدم نماذج التعلم الآلي أيضاً لتحسين تصميم بطاريات الحالة الصلبة وتحسين عمليات التصنيع الخاصة بها.

تمتد آثار هذا الاختراق إلى ما وراء عالم التكنولوجيا. يمكن أن يؤدي الاعتماد الواسع النطاق لبطاريات الحالة الصلبة إلى تسريع الانتقال إلى المركبات الكهربائية، وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتحسين جودة الهواء. يمكن أن يتيح أيضاً تطوير حلول جديدة لتخزين الطاقة لمصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، مما يجعلها أكثر موثوقية وبأسعار معقولة. تتضمن الخطوات التالية زيادة إنتاج بطاريات الحالة الصلبة المطلية بالفضة وإجراء اختبارات صارمة لضمان موثوقيتها وأدائها على المدى الطويل في الظروف الواقعية.