تقنية جديدة تحسن سعة شحن البطاريات

تخيل بطارية هاتف متحرك ظلت مشحونة لأكثر من أسبوع على الرغم من أن شحنها لم يستغرق سوى 15 دقيقة فقط . ها هو حلم إنتاج بطارية رائعة كهذه يقترب من التحقق بفضل بحث أجرته جامعة نورث ويسترن .

فقد قام فريق من المهندسين بابتكار إلكترود لبطاريات الليثيوم والأيون - البطاريات القابلة للشحن كتلك الموجودة في الهواتف المتحركة وأجهزة الآي بود- هذا الإلكترود يسمح بإبقاء البطاريات مشحونة بمعدل يفوق التقنية الحالية عشر مرات . كما أن البطاريات المزودة بالإلكترود الجديد يمكن شحنها أسرع من البطاريات الحالية بعشر مرات .

وقد قام الباحثون بالجمع بين طريقتين هندسيتين كيميائيتين لمعالجة القيود الكبرى للبطارية - سعة الطاقة ومعدل الشحن - بضربة واحدة . إضافة إلى أنها تعد بطاريات أفضل بالنسبة للهواتف المتحركة وأجهزة الآي بود، فمن الممكن أن تعمل هذه التقنية على تمهيد الطريق لظهور بطاريات كهربائية أصغر حجماً وأكثر فاعلية للسيارات .

وقال الباحثون إنه من الممكن رؤية هذه التقنية في السوق خلال 3 سنوات، وقد تم نشر دراسة تتناول هذا البحث في مجلة Energy Materials Advanced .

وقال هارولد كونغ، المؤلف الرئيس للدراسة: لقد اكتشفنا طريقة لمد عمر بطارية الليثيوم والأيون الجديدة بمقدار عشر مرات، وحتى بعد 150 شحنة، التي ستعني التشغيل لمدة عام أو أكثر، ستظل البطارية أكثر فاعلية بخمس مرات من بطاريات الليثيوم والأيون المعروضة في الأسواق في الوقت الحالي .

ويعمل كونغ أستاذاً للكيمياء والهندسة الحيوية في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بماكورميك . كما أنه زميل في معهد دوروثي آن وكلارينس إل فيرستيج للأبحاث المتميزة . يحدث شحن بطاريات الليثيوم والأيون من خلال تفاعل كيميائي يتم فيه توزيع أيونات الليثيوم بين طرفي البطارية، أي قطبها الموجب وقطبها السالب . وعندما يتم استخدام الطاقة الموجودة في البطارية، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب، من خلال محلول استقطاب، إلى القطب السالب، وأثناء شحن البطارية، تنتقل هذه الأيونات في اتجاه عكسي .

ومع التقنية الحالية، يتم تحديد أداء بطارية الليثيوم والأيون بطريقتين . فسعة الطاقة الخاصة بها - ما هي المدة التي يمكن للبطارية أن تحافظ فيها على شحنها- يتم تحديدها بواسطة كثافة الشحن، أو عدد أيونات الليثيوم التي يمكن تعبئتها في القطب الموجب والقطب السالب . في حين يتم تحديد معدل شحن البطارية - سرعة شحنها - بواسطة عامل آخر وهو: السرعة التي يمكن بها لأيونات الليثيوم أن تأخذ طريقها من محلول الاستقطاب إلى داخل القطب الموجب . وفي البطاريات الحالية القابلة للشحن، لا يمكن للقطب الموجب - المصنوع من طبقة فوق طبقة من أوراق الجرافين القائم على الكاربون- أن يستوعب سوى ذرة ليثيوم واحدة لكل ست ذرات من الكربون . ولزيادة سعة الطاقة، قام العلماء في السابق بتجريب استبدال الكربون بالسليكون، لأن السليكون يمكنه أن يستوعب عدد ذرات ليثيوم أكبر بكثير: أربع ذرات ليثيوم لكل ذرة سليكون . وعلى الرغم من ذلك فإن السليكون يتمدد وينكمش بشكل كبير للغاية في عملية الشحن، مما يسبب له التهشم والتجزئة وفقدان سعته في الشحن بسرعة .

وفي الوقت الحالي، فإن ما يعوق سرعة معدل شحن البطارية هو هيئة أوراق الجرافين: فهي رقيقة للغاية - تبلغ في رقتها رقة ذرة كربون واحدة - ولكن عند مقارنتها بها، فإنها تعتبر طويلة جداً . وخلال عملية الشحن، لا بد أن يقوم أيون الليثيوم بقطع الطريق إلى الأطراف الخارجية لورقة الجرافين قبل الدخول والوصول إلى الاستراحة بين الأوراق .

ولأن الليثيوم يستغرق وقتاً طويلاً للانتقال إلى وسط ورقة الجرافين، وهو نوع من الاختناق المروري الأيوني الذي يحدث حول حواف المادة .

والآن، قام فريق كونغ البحثي بالجمع بين تقنيتين لمكافحة هذه المشكلات . التقنية الأولى هي تثبيت السليكون من أجل الحفاظ على أعلى سعة ممكنة للشحن، وهي تضم مجموعات من السليكون بين أوراق الجرافين . وقد سمح ذلك بعدد أكبر من ذرات الليثيوم في الإلكترود مع استخدام مرونة أوراق الجرافين لاستيعاب تغييرات حجم السليكون أثناء الاستخدام .

وقال كونغ: الآن لدينا تقريباً أقل شيء من كلا العالمين، فلدينا كثافة طاقة أعلى بكثير بسبب السليكون، كما أن الاحتواء بين الأوراق يقلل الفاقد في السعة الذي ينجم عن تمدد وانكماش السليكون . وحتى إذا تعطلت مجموعات السليكون، فلن يتم فقدان السليكون .

كما قام فريق كونغ باستخدام عملية أكسدة كيميائية لإنشاء ثقوب ضئيلة (10 إلى 20 نانومتر) في أوراق الجرافين، لذلك سيكون لأيونات الليثيوم اختصار يوصل إلى القطب الموجب ويتم تخزينها هناك عن طريق التفاعل مع السليكون . وقد أدى ذلك إلى تقليل الوقت الذي تستغرقه البطارية لإعادة الشحن بما يصل إلى 10 مرات .

وقد تم تركيز هذا البحث بالكامل على القطب الموجب، وسيبدأ الباحثون بدراسة التغييرات في القطب السالب التي يمكن أن تؤدي إلى زيادة أخرى في فاعلية البطاريات . كما أنهم سوف يدرسون تطوير نظام محلول استقطاب سوف يسمح للبطارية بالتوقف الأوتوماتيكي وبشكل عكسي في درجات الحرارة العالية - وهي آلية أمان من الممكن أن تثبت أهميتها البالغة في تطبيقات السيارة الكهربائية .