ستعزز البطاريات ذات العمر الأطول والفعالية الأكبر أداء كل شيء، بدءًا من الهواتف الذكية إلى المركبات الكهربائية. فقد توصل العلماء إلى اكتشافٍ غير متوقع قد يساعد على تطوير الجيل القادم من تقنية البطاريات، إضافةً إلى محفزات أسرع ومواد متقدمة أخرى.
أظهرت تحليلات في المراحل الأولى من عملية شحن بطاريات الليثيوم تعرف بالتنوّي، أن تباطؤ التيار الكهربائي بالقرب من الإلكترود -القطب الكهربائي- يخلق أنماطًا غير منتظمة من الذرات تحسن أداء عملية الشحن.
رصد الباحثون خلال عملية الشحن شكلًا غير بلوري -زجاجي- من معدن الليثيوم، بفضل مجموعة من الفحوصات، شملت الفحص الإلكتروني المجهري الدقيق والتبريد بالنيتروجين السائل والمحاكاة بالحاسوب.
صورة توضيحية لذرات الليثيوم (بالأزرق) في المستوى النانوي تستقر داخل إلكترود (بالأصفر).
تقول عالمة المواد شيرلي مينج من جامعة كاليفورنيا سان دييغو: «يعرض هذا العمل قوة التصوير المبرد لاكتشاف ظاهرة جديدة في علم المواد. فقد فسر العمل الجماعي البيانات المخبرية بكل ثقة بفضل المحاكاة الحاسوبية التي ساعدتنا على تبسيط التجربة».
هذه المرة الأولى التي يُرصد فيها معدن نقي غير متبلور من عملية شحن البطارية، إذ يعد المعدن غير المتبلور -عديم الشكل- معدنًا غير منتظم يخالف بقية المعادن الناتجة عن عملية الشحن.
عند إعادة الشحن، وُضعَت ذرات الليثيوم في مصعد البطارية (قطب البطارية السالب)، لكن حتى الآن لم تُفهَم التفاصيل الدقيقة بالكامل لكيفية عملها على المستوى الذري.
نعلم أن نمط ترتيب الذرات في مصعد البطارية يختلف بين الشحنات، مؤديًا إلى عملية شحن أقل ثباتًا ومن ثم تدهور البطارية تدريجيًا.
فاجأت عملية صنع المعدن الزجاجي وظروفها العلماء القائمين على البحث؛ ففي أثناء عملية النمو عند إعادة شحن البطارية، بقيت المواد الأولية من الليثيوم الزجاجي حرة وغير منتظمة.
يقول عالم المواد بوريان لياو من مختبر أيداهو الوطني: «يبدو ذلك مفاجئًا قليلاً؛ إذ يمكن صناعة مواد غير متبلورة في ظروف معتدلة جدًا، وبمعدل شحن بطيء للغاية».
أثبتت محاكاة الحاسوب أن التفاعلات الحركية كانت تصنع أشكالًا بلوريةً غير متبلورة وغير مرتبة، ولكن كانت عملية الشحن بطيئة، وقد حدثت النتيجة نفسها عند إجراء اختبارات لأربع مواد متفاعلة أخرى.
يمكن الاستفادة من البحث في أي مكان يحتوي على مواد من معدن زجاجي يمكن استخدامه وتكييفه، يشمل ذلك الحصول على المقدار ذاته من الطاقة من بطارية أصغر حجمًا، قد تبدو مناسبةً لسيارتك الكهربائية إن كنت ترغب في السير على الطرق الطويلة أطول فترة ممكنة.
عادةً ما يكون إنتاج الهياكل المعدنية الزجاجية التي لوحظت في هذه الدراسة صعبًا للغاية، ما يجعل مظهرها هنا أكثر روعة. ومع مزيد من البحث، تستطيع التطبيقات المحتملة في النهاية تجاوز البطاريات.
كتب الباحثون في ورقتهم البحثية: «قد تُضبط خصائص المعدن الزجاجي ومقدار الجزيئات أو حجمها وتوزيعها نتيجة تغيير كثافة التيار والزمن اللازم لوضع ذرات الليثيوم على المصعد وتحسينهما. ستقدم لنا تلك المعادن الجديدة غير المتبلورة فرصًا جديدةً بتطبيقات مختلفة إلى جانب الزجاج المعدني ومجال تخزين الطاقة؛ كالطب الحيوي وتكنولوجيا النانو، والأنظمة الميكانيكية الإلكترونية الدقيقة».
نُشر البحث في دورية Nature Materials.
اقرأ أيضًا:
بطارية أيونات الليثيوم أكفأ 3 مرات من المستخدمة حاليًا
الإعلان عن بطارية أيون الصوديوم التي ستنافس بطاريات أيون الليثيوم المتداولة
ترجمة: حازم أبو العمرين
تدقيق: راما الهريسي
