غيرت بطاريات أيون الليثيوم حياتنا اليومية، إذ تُستخدم الأجهزة من الهواتف الذكية حتى السيارات الكهربائية التي تعمل على هذه البطاريات، وتحافظ هذه البطاريات على استمرار عمل مولدات الطاقة في أثناء حالات الطوارئ، إذ يتزايد الطلب على بطاريات آمنة ذات طاقة أعلى وبأسعار مقبولة مع تزايد الأجهزة الإلكترونية المحمولة والمركبات الكهربائية وتطبيقات الشبكات واسعة النطاق عبر الإنترنت.
طور باحثون من جامعة هيوستن بالتعاون مع باحثين من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني ومختبر أبحاث الجيش الأمريكي مجهرًا بأسلوب متداخل منعكس RIM يوفر فهمًا أفضل لكيفية عمل البطاريات ويحقق أثرًا كبيرًا على الجيل القادم من البطاريات.
قال شياونان شان الأستاذ المساعد في كلية كولين للهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة هيوستن والمؤلف المشارك لدراسة نُشرت في مجلة نيتشر نانوتكنولوجي: «يوفر هذا المجهر نظرة واضحة إلى مراحل تشكيل البطاريات، يمكننا فهم مكونات البطارية ولكنه يشكل تحديًا لتطوير إلكترودات (أقطاب) البطاريات المستقبلية. لقد حققنا تصورًت حقيقيًا لديناميكيات الإلكترودات الصلبة SEI لأول مرة».
يُمكّن المجهر شديد الحساسية الباحثين من دراسة طبقة SEI، وهي طبقة رقيقة وهشة على سطح قطب البطاريات التي تحدد أداءها، ويمثل تغير تركيبها الكيميائي وإعادة تشكلها باستمرار تحديًا للدراسة.
قال يان ياو أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر ومؤلف مشارك عمل مع شان في المشروع منذ أربع سنوات: «نحتاج أداة تصوير عملية ديناميكية وغير ضارة عالية الحساسية؛ لنفهم تكوين وتطور SEI وبالمثل هذه التقنية قادرة على استكشاف طبقة SEI نادرة ونسعى إليها بشدة».
قال ياو وهو باحث رئيسي أيضًا من مركز تكساس للموصلية الفائقة في جامعة هيوستن: «لقد أثبتنا أن المجهر الجديد هو الأول من نوعه الذي يوفر لنا رؤية مهمة لآلية عمل طبقة SEI ليساعد على تصميم بطاريات عالية الأداء بصورة أفضل».
طبق فريق البحث مبدأ الفحص المجهري لانعكاس التداخل في المشروع، إذ وجهوا شعاع الضوء بتركيز 600 نانومتر وعرض طيف نحو 10 نانومتر باتجاه الأقطاب الكهربائية وطبقات SEI ما أدى إلى انعكاسه.
تحتوي الكثافة البصرية الناتجة على إشارات تداخل بين طبقات مختلفة وتشير إلى معلومات مهمة حول عملية تطور طبقة SEI وتسمح للباحثين بمراقبة عملية التفاعل بأكملها.
قال طالب الدراسات العليا في جامعة هيوستن غوانغشيا فنغ الذي أجرى الكثير من التجارب على المشروع: «المجهر حساس جدًا للتغيرات السطحية، ومن ثم يمكننا مراقبة الموقع ذاته بدقة مكانية وزمنية عالية».
غوانغشيا فنغ حاصل على درجة الدكتوراه في الهندسة الكهربائية من جامعة هيوستن في عام 2022 ويخطط لمتابعة مزيد من البحث في مجال تكنولوجيا البطاريات.
لاحظ الباحثون أن معظم باحثي البطاريات يستخدمون حاليًا المجاهر الإلكترونية بالتبريد التي تلتقط صورة واحدة في وقت معين ولا يمكنها تتبع التغييرات باستمرار في نفس الموقع.
قال شان المتخصص في تطوير تقنيات التصوير وتقنيات قياس الطيف لدراسة التفاعلات الكهروكيميائية في تخزين الطاقة وتحويلها: «أردت التعامل مع الأبحاث من زاوية مختلفة بتطوير طرق لتحديد الخصائص وتقنيات تصوير جديدة توفر معلومات جديدة لفهم آلية التفاعل في عمليات تحويل الطاقة، ويمكن تطبيق تقنية التصوير الجديدة على أنظمة تخزين الطاقة الحديثة الأخرى».
وأضاف: «لتحقيق الجيل القادم من البطاريات يجب فهم آليات التفاعل والمواد الجديدة لتطوير بطاريات بطاقة أعلى مفيدة للبيئة أيضًا».
ساعد وو شو على تصميم المشروع وهو من مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني وخبير في تصميم الإلكتروليت وقدم نظرة واسعة لاستخدامها.
قدم كانغ شو الخبير في أبحاث SEI من مختبر أبحاث الجيش رؤى مهمة للمساعدة على فهم الظاهرة وكلاهما مؤلفان مشاركان في الورقة البحثية.
اقرأ أيضًا:
تطوير بطاريات ليثيوم أيون جديدة يمكنها تحمل ظروف الحرارة والبرد القاسية
هل يمكننا استخدام بطاريات كبيرة لتشغيل القطارات؟
ترجمة: عمرو أحمد حمدان
تدقيق: تسبيح علي
