Multifunctional BN-Enabled Li7La3Zr2O12 Composite Electrolytes with Enhanced Toughness and Ionic Conductivity

تُعد البطاريات المحركات الصامتة للحياة المعاصرة، فهي تشغل كل شيء بدءاً من الهواتف الذكية وصولاً إلى السيارات الكهربائية. وفي داخل كل بطارية، ينقل سائل أو هلام الجسيمات المشحونة، مما يسمح بتدفق الطاقة في الداخل والخارج. ومع ذلك، يمكن لهذه السوائل أن تكون قابلة للاشتعال وعرضة للتسرب، مما يشكل مخاطر أمنية. لطالًا سعى العلماء لإيجاد حل أفضل: بطارية صلبة تستبدل السائل بمادة صلبة. هذا التغيير يعد ببطاريات أكثر أماناً، وتستوعب طاقة أكبر، وتدوم لفترة أطول. والمفتاح لجعل هذا الأمر ناجحاً هو العثور على مادة صلبة يمكنها توصيل الكهرباء بقدر كفاءة السائل مع بقائها قوية بما يكفي لمنع الدوائر القصيرة الخطيرة داخلياً. ومن المواد الواعدة مادة سيراميكية مكونة من الليثيوم واللانثانوم والزركونيوم. وبينما تقوم هذه المادة بتوصيل الأيونات بشكل جيد، إلا أنها هشة بطبيعتها، مثل قطعة من الطباشير تنكسر تحت الضغط. وإذا تصدعت، تفشل البطارية. علاوة على ذلك، فإن جعل هذا السيراميك كثيفاً بما يكفي ليعمل بكفاءة يتطلب عادةً خبزه في درجات حرارة عالية للغاية لساعات عديدة، وهي عملية تتسبب في تبخر الليثيوم الأساسي للبطارية وإضعاف المنتج النهائي.

لقد طور باحثون في جامعة خليفة والأكاديمية الصينية للعلوم طريقة جديدة لحل هاتين المشكلتين المتلازمتين: الهشاشة وفقدان التصنيع. فقد ابتكروا مادة مركبة عن طريق خلط كمية ضئيلة من نيتريد البورون السداسي، وهو سيراميك معروف بقوته ومقاومته للحرارة، في السيراميك القائم على الليثيوم. وبدلاً من استخدام فرن تقليدي بطيء، استخدموا تقنية تسمى التسخين بالجول فائق السرعة. تمر هذه الطريقة بتيار كهربائي قوي مباشرة عبر المادة، مما يسخنها إلى ما يقرب من 1000 درجة مئوية في ثلاثين ثانية فقط. هذه العملية السريعة تحجز الليثيوم بالداخل قبل أن يتمكن من الهروب، بينما يعمل نيتريد البورون المضاف كـ "مساعد قوي". والنتيجة هي إلكتروليت صلب أكثر قوة وتوصيلاً من النسخ السابقة، مما يوفر مساراً عملياً نحو بطاريات الحالة الصلبة الأكثر أماناً وعالية الأداء.

بدأ الفريق بخلط مسحوق السيراميك مع كميات متفاوتة من مادة نيتريد البورون المضافة. ووجدوا أن إضافة جزء صغير فقط، وتحديداً 0.5 بالمائة من الوزن، حققت أفضل النتائج. وعندما أخضعوا هذا الخليط لعملية التسخين فائقة السرعة، اندمجت المادة لتشكل قرصاً صلباً وكثيفاً. وفي المقابل، ظلت العينات المصنوعة بطرق التسخين التقليدية البطيئة مسامية وضعيفة. وقد منع التسخين السريع الليثيوم من التطاير، أو التحول إلى غاز، وهي مشكلة شائعة في التصنيع القياسي. ولم يقتصر دور نيتريد البورون على تثبيت الهيكل فحسب؛ بل تفاعل كيميائياً مع طبقة عنيدة من كربونات الليثيوم التي تتشكل طبيعياً على سطح السيراميك عند تعرضه للهواء. هذا التفاعل حول الكربونات العازلة إلى مركب جديد، وهو بورات الليثيوم، الذي يساعد في الواقع الأيونات على الحركة بحرية أكبر. وقد أزال هذا التحول الكيميائي عائقاً رئيسياً أمام تدفق الكهرباء داخل المادة.

كانت التحسينات في الخصائص الفيزيائية للمادة دراماتيكية. فقد كانت المادة الأصلية (السيراميك)، بدون أي إضافات، تمتلك قيمة متانة تبلغ حوالي 5.8 ميجاجول لكل متر مكعب. وهذا مقياس لمقدار الطاقة التي يمكن أن تمتصها المادة قبل الانكسار. ومع إضافة الكمية الضئيلة من نيتريد البورون وعملية التسخين السريع، قفزت هذه المتانة إلى حوالي 70.2 ميجاجول لكل متر مكعب. ويمثل هذا زيادة بمقدار اثني عشر ضعفاً في قدرة المادة على تحمل الإجهاد دون تشقق. ولاحظ الباحثون أن جزيئات نيتريد البورون عملت مثل جسور صغيرة، تمنع الشقوق من الانتشار عبر السيراميك. وفي الوقت نفسه، تحسن الأداء الكهربائي؛ حيث زادت سرعة حركة أيونات الليثيوم عبر المادة، والمعروفة بالتوصيل الأيوني، من 4.48 في 10 أس -6 سيمنز لكل سنتيمتر إلى 1.1 في 10 أس -5 سيمنز لكل سنتيمتر. وهذا يمثل تحسناً بمقدار 2.5 ضعف، مما يعني أن البطارية يمكنها الشحن والتفريغ بكفاءة أكبر.

وعندما قارن الباحثون طريقتهم فائقة السرعة بعملية التلبيد التقليدية، أصبحت المزايا أكثر وضوحاً. أظهرت العينات المصنوعة بالطريقة التقليدية البطيئة مقاومة عالية لتدفق الأيونات وكانت أضعف ميكانيكياً، وكانت تتطلب طاقة أكبر لدفع الأيونات عبرها وكانت أكثر عرضة للفشل تحت الضغط. ومع ذلك، أظهرت العينات المصبوكة فائق السرعة انخفاضاً كبيراً في المقاومة وزيادة ملحوظة في القوة. كما اختبر الفريق الاستقرار الحراري للمادة، ووجدوا أن المركب الجديد فقد وزناً أقل بكثير عند تسخينه مقارنة بالسيراميك الأصلي، مما يشير إلى أن الليثيوم تم الاحتفاظ به بشكل أفضل أثناء عملية التصنيع. ويعد هذا الاحتفاظ أمراً حيوياً لأن فقدان الليثيوم يضعف قدرة البطارية على تخزين الطاقة بمرور الوقت. وأكدت الدراسة أن نيتريد البورون لم يقم بتقوية الهيكل فحسب، بل قام أيضاً بتنظيف حدود الحبيبات بفاعلية، وهي الواجهات بين البلورات الصغيرة التي يتكون منها السيراميك، مما خلق مسارات أكثر سلاسة لانتقال الأيونات.

يعتمد نجاح هذا النهج على التوازن الدقيق بين المادة المضافة وسرعة التسخين. فإضافة الكثير من نيتريد البورون، مثل 10 بالمائة، أضر بالأداء في الواقع؛ حيث تجمعت المادة المضافة الزائدة، مما أدى إلى خلق فراغات وجيوب غازية منعت المادة من أن تصبح كثيفة، مما أدى إلى مادة ضعيفة وذات توصيل كهربائي ضعيف. وقد وُجدت "النقطة المثالية" عند التركيز المنخفض جداً البالغ 0.5 بالمائة، وهو ما كان كافياً لتحفيز التفاعلات الكيميائية المفيدة والتعزيز الهيكلي دون تعطيل سلامة السيراميك. كما أظهر الباحثون أن هذه الطريقة نجحت مع نسخة مختلفة قليلاً من السيراميك، مما يشير إلى أن التقنية متعددة الاستخدامات. ومن خلال الجمع بين مادة مضافة متعددة الوظائف وتقنية معالجة فائقة السرعة، أظهر الفريق طريقة لتصنيع إلكتروليتات صلبة قوية ميكانيكياً وفعالة كهروكيميائياً. ويعالج هذا العمل العقبات الحرجة المتمثلة في الهشاشة وفقدان الليثيوم، مما يوفر استراتيجية قابلة للتوسع لتقريب بطاريات الحالة الصلبة من الاستخدام في العالم الحقيقي.