ما هو الفرق بين الشوارد الصلبة والسائلة؟

الفرق بين صلب و الشوارد السائلة يكمن في المقام الأول في الحالة الجسدية , آليات الموصلية ، و التطبيقات . فيما يلي تفصيل للاختلافات الرئيسية بينهما:

1. الحالة المادية

الشوارد الصلبة : كما يوحي الاسم، فهي في شكل صلب. غالبًا ما تكون مصنوعة من مواد السيراميك أو البوليمر أو الزجاج التي يمكنها توصيل الأيونات. تُستخدم الإلكتروليتات الصلبة عادةً في بطاريات الحالة الصلبة أو خلايا الوقود.

الشوارد السائلة : تكون في حالة سائلة وتتكون عادة من مذيبات، مثل الماء أو المذيبات العضوية، مخلوطة بأملاح أو أحماض مذابة. تُستخدم الإلكتروليتات السائلة في البطاريات التقليدية، مثل بطاريات الليثيوم أيون أو بطاريات الرصاص الحمضية.

2. آلية التوصيل الأيوني

الشوارد الصلبة : في الإلكتروليتات الصلبة، تتحرك الأيونات عبر المصفوفة الصلبة عن طريق القفز من موقع إلى آخر. تعتمد الموصلية الأيونية للإلكتروليتات الصلبة على عوامل مثل الحركة الأيونية للمادة ودرجة الحرارة وبنية المادة الصلبة.

الشوارد السائلة : تسمح الإلكتروليتات السائلة للأيونات بالتحرك بحرية في المحلول، عادة من خلال عملية تفكك وإعادة تشكيل الأزواج الأيونية في الطور السائل. غالبًا ما تكون حركة الأيونات في الإلكتروليتات السائلة أعلى منها في المواد الصلبة لأن الأيونات تتمتع بحرية الحركة داخل الوسط السائل.

3. الموصلية

الشوارد الصلبة : تتمتع الإلكتروليتات الصلبة بشكل عام بموصلية أيونية أقل من الإلكتروليتات السائلة، ولكنها تتقدم مع مواد مثل الليثيوم الصلب وموصلات الصوديوم، والتي توفر موصلية أفضل عند درجات الحرارة المرتفعة.

الشوارد السائلة : تظهر الإلكتروليتات السائلة عمومًا موصلية أيونية أعلى في درجة حرارة الغرفة، مما يجعلها عالية الكفاءة لمعظم تطبيقات البطاريات. ومع ذلك، يمكن أن تكون موصليتها حساسة لدرجة الحرارة، وقد تتبخر أو تتجمد عند درجات حرارة قصوى.

4. نطاق درجة الحرارة

الشوارد الصلبة : تميل الإلكتروليتات الصلبة إلى الأداء الجيد في أ مجموعة واسعة من درجات الحرارة لأنها ليست حساسة للتغيرات في درجات الحرارة مثل الشوارد السائلة. وهذا يجعلها مثالية لتطبيقات درجات الحرارة العالية.

الشوارد السائلة : الشوارد السائلة لديها أكثر من ذلك نطاق درجة حرارة محدود لأنها يمكن أن تتجمد عند درجات حرارة منخفضة أو تتبخر عند درجات حرارة عالية. يمكن أن يتدهور أدائها في ظل الظروف القاسية.

5. الاستقرار والسلامة

الشوارد الصلبة : الشوارد الحالة الصلبة أكثر مستقر و أكثر أمانا بالمقارنة مع الشوارد السائلة. أنها لا تشكل مخاطر التسرب أو التبخر أو القابلية للاشتعال، وهي مشاكل شائعة مع الشوارد السائلة. وهذا يجعلها جذابة للغاية للتطبيقات التي تكون فيها السلامة أولوية، كما هو الحال في السيارات الكهربائية (EVs).

الشوارد السائلة : الشوارد السائلة يمكن أن تكون عرضة ل تسرب , تآكل ، و القابلية للاحتراق وخاصة في حالة المذيبات العضوية القابلة للاشتعال. يعد هذا مصدر قلق يتعلق بالسلامة، خاصة في البطاريات مثل بطاريات الليثيوم أيون، حيث يمكن أن يتسبب تسرب الإلكتروليت في حدوث حرائق.

6. كثافة الطاقة

الشوارد الصلبة : بطاريات الحالة الصلبة مع الشوارد الصلبة تميل إلى أن تكون كثافة طاقة أعلى و عمر أطول مقارنة بالبطاريات التقليدية ذات الإلكتروليتات السائلة. وذلك لأن بطاريات الحالة الصلبة يمكنها استخدام مواد أكثر كثافة من حيث الطاقة ويمكن أن تكون أكثر إحكاما.

الشوارد السائلة : تميل الإلكتروليتات السائلة، مثل تلك المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون أو بطاريات الرصاص الحمضية، إلى الحصول على كثافة طاقة أقل مقارنة بأنظمة الحالة الصلبة. ومع ذلك، فهي تستخدم حاليًا على نطاق أوسع بسبب التكنولوجيا الراسخة وفعالية التكلفة.

7. التطبيقات

الشوارد الصلبة : تستخدم الشوارد الصلبة في المقام الأول في صلب-state batteries , خلايا الوقود ، و emerging تقنيات تخزين الطاقة . وهي لا تزال قيد التطوير للإلكترونيات الاستهلاكية والمركبات الكهربائية ولكنها تحمل وعدًا كبيرًا للتطبيقات المستقبلية نظرًا لسلامتها المحسنة وكثافة الطاقة.

الشوارد السائلة : تستخدم الإلكتروليتات السائلة بشكل شائع في البطاريات التقليدية مثل ليثيوم أيون , هيدريد معدن النيكل (NiMH) ، و حمض الرصاص البطاريات. وهي موجودة في الأجهزة اليومية مثل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية.

8. التصنيع والتكلفة

الشوارد الصلبة : تعتبر الإلكتروليتات الصلبة أكثر تعقيدًا وتكلفة في التصنيع بسبب المواد والعمليات المستخدمة في تصنيعها. وهذا يمكن أن يجعل بطاريات الحالة الصلبة أكثر تكلفة، على الرغم من أنه من المتوقع أن تنخفض الأسعار مع تقدم التكنولوجيا.

الشوارد السائلة : تعتبر الإلكتروليتات السائلة أرخص في الإنتاج وأسهل في التعامل معها، حيث أن المواد المستخدمة عادةً ما تكون متاحة بسهولة ومفهومة جيدًا. وهذا يجعل البطاريات السائلة أكثر فعالية من حيث التكلفة للإنتاج الضخم.

9. الاستقرار الكهروكيميائي

الشوارد الصلبة : الشوارد الصلبة تقدم عموما استقرار كهروكيميائي أفضل من الشوارد السائلة، وخاصة في التطبيقات ذات الجهد العالي. هم أقل عرضة للتحلل أو التفاعل في ظل ظروف قاسية.

الشوارد السائلة : يمكن أن تتحلل الإلكتروليتات السائلة، خاصة في بطاريات الليثيوم أيون، أو تتعرض لتفاعلات جانبية غير مرغوب فيها بمرور الوقت، خاصة عند الفولتية العالية أو تحت الضغط.

ملخص:
الإلكتروليتات الصلبة: توفر سلامة أفضل واستقرارًا لدرجة الحرارة وكثافة طاقة أعلى ولكنها حاليًا أكثر تكلفة وأقل كفاءة في التوصيل الأيوني من الإلكتروليتات السائلة.

الإلكتروليتات السائلة: توفر موصلية أعلى وأكثر فعالية من حيث التكلفة، ولكنها تأتي مع مخاطر تتعلق بالسلامة، ونطاق درجة حرارة محدود، وكثافة طاقة أقل مقارنة بالإلكتروليتات الصلبة.

كل نوع من المنحل بالكهرباء له مزاياه وعيوبه، والاختيار بين الاثنين يعتمد إلى حد كبير على التطبيق المحدد والمتطلبات التكنولوجية.