تطوير مادة مثالية لتخزين الطاقة للسيارات الكهربائية
استطاع فريق من علماء المواد في جامعة ولاية بنسلفانيا الأمريكيَّة من تحقيق هدف بناء مخزن للطاقة «بطارية» مصنوعة من بوليمرات عازلة كهربائيًا، ذات كثافة طاقة عالية، وكثافة قدرة عالية وكفاءة شحن وتفريغ ممتازة ومناسبة تمامًا للسيارات الكهربائية والهجينة. ويعود الفضل في هذا الإنجاز للبناء المميز ثلاثي الأبعاد الذي يشبه الشطيرة والذي يحمي المجال الكهربائي الكثيف في مخلوط البوليمر والسيراميك من انهيار العزل الكهربائي*(1). وقد نُشِرت النتائج في يوم 22 آب/أغسطس في مجلة (أحداث الأكاديميَّة الوطنيَّة للعلوم- Proceedings of the National Academy of Sciences/PNAS).
ويقول (كوينج وان-Qing Wang ) أستاذ علم وهندسة المواد وقائد الفريق: «البوليمرات مواد مثاليَّة لتخزين الطاقة لوسائل النقل وذلك لخفة وزنها وسهولة تحجيمها وقوة عزلها الكهربائي، ولكن البوليمرات المستعملة حاليًا بشكل تجاري في السيارات الكهربائية والهجينة والتي يُطلق عليها «BOPP» لا تصمد أمام درجات حرارة التشغيل المرتفعة بدون أدوات تبريد إضافيَّة. مما يُضيف لوزن وتكلفة السيارة».
وتوجَّب على الباحثين التغلُّب على مشكلتين لتحقيق هدفهم. ففي رقائق البوليمر المتداولة ثنائيَّة الأبعاد مثل الـ«BOPP» ، زيادة ثابت العزل الكهربائي، ومن ثم زيادة قوة المجال الكهربائي، تتعارض مع ثبات وكفاءة دورات الشحن والتفريغ. وكُلَّما زادت قوة المجال كُلَّما زادت احتماليَّة تسرُّب الطاقة على شكل حرارة. وقد تعامل باحثو جامعة ولاية بنسلفانيا مع تلك المشكلة من البداية وذلك بخلط مواد مختلفة في محاولة لخلق توازن بين الخصائص المتنافسة وذلك في شكل ثنائي الأبعاد. وبينما ساهم ذلك في زيادة سعة الطاقة، اكتُشِف انهيار الرقائق في درجات الحرارة المرتفعة عند تهرب الإلكترونات من الأقطاب الكهربائية وتخترق البوليمر مما يُسبِّب مرور التيار الكهربائي.
وقد قال وانج: «لهذا طوَّرنا ذلك التصميم على شكل شطيرة. فلدينا الطبقة العليا والسفلى اللتان ستمنعان تسرُّب الشحنات من الأقطاب الكهربائية. كما ولدينا الطبقة المركزيَّة والتي نضع فيها كل المواد ذات ثابت العزل المرتفع المكوَّنة من السيراميك والبوليمر والتي تزيد من كثافة الطاقة والقدرة». وتتكوَّن الطبقات الخارجيَّة من شرائح نانومتريَّة من نيتريد البورون في مصفوفة من البوليمر وهي عازل كهربائي ممتاز، بينما الطبقات المركزيَّة ذات ثابت العزل الكهربائي المرتفع تُسمَّى تيتانات الباريوم. وأضاف وانج: «لقد أظهرنا أنَّنا نستطيع تشغيل تلك المادة في درجات حرارة مرتفعة لمدة 24 ساعة متواصلة ولمدة 30000 دورة شحن وتفريغ دون أن تبدو عليها أي علامات للنقص في الأداء».
مقارنة مع الـ «BOPP»
في مقارنة بين الـ «BOPP» والتركيبة النانومتريَّة على شكل شطيرة والتي سيُرمز لها باسم
«SSN-x» حيث تُعبِّر«x» عن نسبة التركيبة النانومتريَّة من تيتانات الباريوم في الطبقة المركزيَّة، ويظهر لنا أنَّه في درجة حرارة 150 مئويَّة يتمتَّع الـ «SSN-x» بنفس كمية طاقة الشحن والتفريغ التي يعمل بها الـ «BOPP»في درجة حرارة عمله القياسيَّة عند 70 درجة مئويَّة. وبالإضافة لذلك فإنَّ الـ «SSN-x» يتميز بكثافة طاقة تتعدَّى الـ «BOPP»بعدة مرَّات مما يجعل الـ «SSN-x» مناسبًا أكثر للسيارات الكهربائية واستخدامات الطيران كأداة تخزين للطاقة وذلك لقابليتها على اختصار حجم ووزن الإلكترونات خاصةً خلال عمل نظام التطوير. فإزالة أداة التبريد الضخمة وعالية التكلفة اللازمة لعمل الـ «BOPP»هي ميزة إضافيَّة.
كما وأكمل وانج قائلًا: «خطوتنا القادمة هي العمل مع شركة أو أكثر بموارد أكبر للقيام بدراسات عمليَّة لنرى إمكانيَّة إنتاج تلك المادة على مستوى ضخم وبتكلفة مناسبة. وقد أظهرنا مستوى أداء تلك المواد معمليًا. فنحن نُطوِّر مواد عالية التقنيَّة بالتعاون مع زملينا في النظرية (لونج كوينج تشين- (Long-Qing Chen وهو زميلنا في القسم. ونظراً لأنَّنا نعمل في فضاء ثلاثي الأبعاد، فليس دورنا فقط اختيار المواد بل كيفية ترتيب مواد مختلفة في حجم النانو وبترتيب محدد. فالنظرية تُساعدنا على تصميم المواد بصورة منطقيَّة».
*(1): يتحول العازل الكهربي بين الأقطاب إلى مادة موصِّلة فينهار المجال الكهربي.
إعداد: جورج فام
تدقيق: هبة فارس
