وجد الباحثون طريقة لدمج السيليكون في البطاريات مع إبطال توسعها الذي يؤدي إلى تلفها باستخدام الجل، ما يعني أن شحنة واحدة كافية لعمل السيارة الكهربائية المستقبلية التي تعمل على هذه التقنية فترة طويلة.
قد تصبح مشكلة محدودية المسافات التي تقطعها السيارة الكهربائية (EV) شيئًا من الماضي قريبًا بفضل التقدم في تكنولوجيا البطاريات، الذي قد يمنح المركبة الكهربائية نطاقًا يزيد عن 620 ميلًا (1000 كيلومتر).
يبلغ المدى الأقصى للسيارة الكهربائية اليوم 300 ميل (480 كم) وسطيًا، علمًا أن السيارة الكهربائية التي تعمل أطول مدة زمنية -لوسيد أير- ينفد شحن بطاريتها بعد نحو 500 ميل (800 كم).
استخدم الباحثون جزيئات السيليكون الصغيرة والكهارل القائم على الهلام للاستفادة من قدرة الشحن العالية لأنودات السيليكون في بطاريات الليثيوم أيون، وهذا ما أوضحته دراسة جديدة.
نشر العلماء النتائج التي توصلوا إليها في 17 يناير في مجلة Advanced Science.
تُعد عملية الشحن عملية عكسية، إذ تعود أيونات الليثيوم الموجبة إلى المصعد، وتتدفق الإلكترونات عبر الدارة إلى الموصل حيث تكتسب شحنة موجبة.
تُعد البطارية مشحونة بالكامل عند توقف تدفق الأيونات إلى العقدة، التي يُنظر إليها على أنها مهبط من الناحية الفنية.
يُنظر إلى السيليكون على أنه مادة مناسبة ليعمل مرشحًا للمصعد في البطاريات التي تحتوي أيونات الليثيوم؛ لأنه قد يحمل ما يصل إلى 10 أضعاف عدد أيونات الليثيوم مقابل ما يكافئ ذلك في المصاعد الحاوية على الغرافيت الموجودة في معظم البطاريات اليوم.
يتمدد السيليكون بما يصل إلى ثلاثة أضعاف حجمه عند تلقي الشحن، ما قد يؤدي إلى تلف البطارية في السيارة الكهربائية. قد يخفف السيليكون بحجم نانومتر من هذه المشكلة، لكن مثل هذا النظام يتطلب عملية إنتاج معقدة ومكلفة.
اختار العلماء في الدراسة الجديدة جزيئات السيليكون ذات الحجم الميكرومتري المرتبطة بكهارل هلامي مرن يعمل على تشتيت الضغط الداخلي الناجم عن توسيع مصعد السيليكون، ويمنع ذلك تدهور البطارية دون المساس بالتوصيل في السيارة الكهربائية.
يُمهد نظام البطارية الجديد الطريق لمصاعد السيليكون ذات سعة الشحن العالية دون الحاجة إلى إنتاج مكلف؛ لأن الجزيئات ذات الحجم الميكرومتري أكبر بـ 1000 مرة من معادلاتها بالنانومتر.
يقول المؤلف المشارك في الدراسة سوجين بارك -أستاذ الكيمياء في جامعة بوهانج- من جامعة العلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية في بيان: «لقد استخدمنا مصعدًا من السيليكون الصغير، ومع ذلك لدينا بطارية مستقرة. يُقربنا هذا البحث من نظام بطارية أيونات ليثيوم حقيقي ذو كثافة وطاقة عالية».
تمديد السيليكون
عمل العلماء على تشعيع بوليمر هلامي باستخدام شعاع إلكتروني لتكوين روابط تساهمية بين جزيئات السيليكون على نطاق الميكرومتر والكهارل؛ لجعل نظام السيليكون المكون من الإلكتروليت والهلام يعمل.
يسمح ربط المصعد مع الكهارل للطبيعة المرنة للجيل بامتصاص الضغط الناتج عن تمدد السيليكون وتبديده.
قد يخفف الإلكتروليت الهلامي أيضًا بعض التشققات التي تحدث عندما يتمدد السيليكون، وبذلك تحسين الاستقرار الهيكلي لقطب السيليكون. من الناحية النظرية، ينبغي أن يؤدي هذا إلى إنتاج بطاريات ليثيوم أيون ذات عمر أطول.
كانت النتيجة الإجمالية بطارية ليثيوم شهدت تحسنًا في كثافة الطاقة بنسبة تبلغ 40%، وموصلية أيونية مشابهة للبطاريات التي تستخدم الكهارل السائل.
يعني هذا أن بطارية أيونات الليثيوم يمكنها الاحتفاظ بأيونات ذات شحنة موجبة أكثر مما سبق، أي تتمتع على نحو أساسي بقدرة طاقة أكبر مع الحفاظ على كفاءة نقل الطاقة.
قد يعني ذلك عمرًا أطول للبطارية للأجهزة الاستهلاكية على أرض الواقع، في حين قد يصل نطاق بطاريات السيارات الكهربائية إلى أكثر من 620 ميلًا بشحنة واحدة.
قال الباحثون أيضًا إن نظام جسيمات السيليكون بمقياس ميكرومتر قد يكون أكثر فعالية من ناحية التكلفة، ويتناسب مع أساليب الإنتاج الحالية على الفور تقريبًا، مقارنةً بالبطاريات الحالية التي تعتمد على جزيئات السيليكون بمقياس نانومتر.
قال العلماء في ورقة البحث: «يمكن تطبيق استراتيجية التكامل -التي تنطوي ببساطة على تطبيق شعاع الإلكترون- بسهولة في خطوط إنتاج البطاريات الحالية».
اقرأ أيضًا:
باحثون يطورون بطاريات أيونات الليثيوم أقل عرضة للانفجار
بطاريات ليثيوم جديدة تستطيع شحن سيارة كهربائية في دقائق وتدوم مدة 25 عامًا
ترجمة: طاهر قوجة
تدقيق: ميرڤت الضاهر
مراجعة: هادية أحمد زكي
