مُهندسون يطورون بطارية ليثيوم مرِنة يمكن استخدامها في الالكترونيات الملبوسة

تاريخ النشر : 21/04/2018 التعليقات :0 الاعجابات :0 المشاهدات :941

الخلاصة:

بطاريات أيونات الليثيوم هي بطاريات أقرب في تصميمها الى العمود الفقري من حيث المرونة. فهي تحتوي على عدة مميزات منها: أنها مرنة وطاقتها عالية الكثافة، جهدها ثابت فهو لا تتأثر بالثني أو الطي بالإضافة الى قوتها الميكانيكية وكثافة طاقتها أفضل بكثير من بقية البطاريات.

 

 

رسم تخطيطي لبنية وعملية تصنيع بطارية بشكل العمود الفقري. (أ) الرسم التخطيطي للتصميم المستوحى من جسم الإنسان، الفقرات تُمثَل بحِزم سميكة من الأقطاب، والنخاع الناعم يتوافق مع الجزء المَرن الذي يربط كل الحِزم. (ب) عملية تصنيع البطارية الشبيهة بالعمود الفقري، تم قطع الطبقات المتعددة من الأقطاب الكهربائية أولا في شكل مصمم مسبقاً، ثم تم لف شرائط تمتد على العمود الفقري لتشكيل هيكل يشبه العمود الفقري. حقوق الصورة تعود ل: يوان يانغ / كلية الهندسة بجامعة كولومبيا

 

 

إن التطور السريع للإلكترونيات المرنة والقابلة للارتداء يمكن أن ينتج عنه الكثير من التطبيقات المثيرة للاهتمام، بدءا من الساعات الذكية وشاشات العرض المرنة، مثل الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية والتلفزيون إلى الأقمشة الذكية والزجاج الذكي واللصقات الجلدية وأجهزة الاستشعار وغيرها. ومع ظهور هذه التطبيقات، زاد الطلب على البطاريات المرنة عالية الأداء. ولكن حتى الآن، يواجه الباحثون صعوبة في الحصول على مرونة جيدة وكثافة طاقة عالية في وقت واحد في بطاريات أيون الليثيوم

 

طور فريق بقيادة يوان يانغ، أستاذ مساعد في علوم وهندسة المواد في قسم الفيزياء التطبيقية والرياضيات في جامعة كولومبيا، نموذجًا أوليًا يعالج هذا التحدي: بطارية أيون الليثيوم (Li-on) على شكل العمود الفقري البشري، تسمح بمرونة ملحوظة، وكثافة عالية للطاقة، وجهد مستقر لا يتأثر بانثنائها. تم نشر الدراسة في قسم المواد المتقدمة.

 

يقول يانغ: “إن قيمة كثافة الطاقة في نموذجنا الأولي هي واحدة من أعلى القيم التي أُبلغ عنها حتى الآن”. “لقد طورنا أسلوبًا بسيطًا وقابلًا للتطوير لتصنيع بطارية ليثيوم أيون مرنة شبيهة بالعمود الفقري تتمتع بخصائص ميكانيكية وكهربائية ممتازة. تصميمنا واعد جدًا ومرشح ليكون الجيل الأول من بطاريات الليثيوم أيون التجارية المرنة. ونحن نعمل الآن على تحسين التصميم وأدائه”.

 

 

اكتشف يانغ ومجموعته البحثية تركيبة وهيكل المواد المختلفة الداخلة في صناعة البطاريات بهدف الوصول لتحقيق الأداء العالي، والتي استوحيت من ليونة العمود الفقري أثناء القيام بتمارين تقوية تمارين البطن في صالة الألعاب الرياضية. يتميز العمود الفقري البشري بدرجة عالية من المرونة القابلية لتغيير شكله بالإضافة إلى قوته الميكانيكية، حيث يحتوي على مكونات نخاع طرية تربط أجزاء فقرات صلبة. استخدم يانغ نموذج العمود الفقري لتصميم بطارية ذات بنية مشابهة. نموذجه الأولي يحتوي على جزء سميك صلب يخزن الطاقة عن طريق أقطاب ملفوفة (“فقرة”) حول جزء رقيق ومرن (“النخاع”) الذي يربط حِزم الأقطاب الكهربائية الشبيهة بالفقرات معًا. تصميمه يوفر مرونة ممتازة للبطارية بأكملها.

 

(عُد للمقال الأصلي لمشاهدة فيديو يوضح بطارية ليثيوم أيون بتكوين مسطح ومرن وملتوي، تستخدم في تشغيل ساعة ذكية. الحقوق محفوظة: يوان يانغ / هندسة كولومبيا)

 

“بما أن حجم الجزء الصلب من القطب هو أكبر بكثير من الوصلة المرنة، فإن قيمة كثافة الطاقة لهذه البطارية المرنة يمكن أن تكون 85 بالمائة أكبر من بطارية في عبوة تجارية قياسية”، يشرح يانغ. “نظرًا لارتفاع نسبة المواد النشطة في الهيكل بأكمله، فإن البطارية الشبيهة بالعمود الفقري لدينا تظهر كثافة طاقة عالية جدًا -أعلى من أي تقارير أخرى نعلمها. كما نجحت البطارية في اختبار الحمولة الميكانيكية الديناميكية القاسية بسبب تصميمها المستوحى من أجزاء الحيوية”

 

قام فريق يانغ بتقطيع حِزم الطرف الموجب / فاصل / الطرف السالب / فاصل التقليدية إلى شرائح طويلة مع “فروع” متعددة تمتد إلى 90 درجة من “العمود الفقري”. ثم لفوا كل فرع حول العمود الفقري لتشكيل حِزم سميكة لتخزين الطاقة، مثل الفقرات في العمود الفقري. مع هذا التصميم المتكامل، فإن ما يحد من كثافة طاقة البطارية هو فقط النسبة الكبيرة من الحِزم الطولية الشبيهة بالفقرات مقارنةً بطول الجهاز بأكمله، والتي يمكن أن تصل بسهولة إلى أكثر من 90 بالمائة.

 

تظهر البطارية طاقة استيعابية ثابتة عند شحنها وتفريغها عدة مرات، بالإضافة إلى ثابت الجهد بغض النظر عن كيفية ثنيها أو التواءها. بعد شحنها وتفريغها، قام الفريق بتفكيك البطارية لفحص التغير في تكوين مواد الأقطاب الكهربائية. ووجدوا القطب الموجب سليما دون أي تكسر واضح أو تقشر في رقائق الألومنيوم، مما يؤكد استقرار تصميمها الميكانيكي. ولمزيد من توضيح مرونة التصميم، قام الباحثون باستمرار بثني ولي البطارية أثناء التفريغ، حيث وجدوا أن الالتواء أو اللي لا يقطعان وصول الجهد. حتى عندما يتم ثني ولف الخلية باستمرار أثناء عملية التفريغ بكاملها، يبقى الجهد. تم شحن وتفريغ البطارية في حالتها المثنية أيضًا مع قيم كثافة تيار أعلى، وكانت قدرتها على استرجاع الشحنة مرتفعة جدًا (84% من الشحنة في حالة 3C خلال ثلث ساعة) كما تخطت البطارية اختبار الحمل الميكانيكي المستمر، والذي قلما تم تسجيله في الدراسات السابقة.

 

 

(عد للمقال الأصلي لمشاهدة فيديو لاختبار الحمل الميكانيكي الديناميكي، مُوضحاً مرونة بطارية ليثيوم أيون. الحقوق محفوظة: يوان يانغ / هندسة كولومبيا)

 

 

يقول يانغ: “إن تصميمنا الشبيه بالعمود الفقري أكثر قوة من الناحية الميكانيكية من التصميمات التقليدية”. “نتوقع أن طريقتنا المستوحاة من أجزاء حية والقابلة للتطوير لتصنيع بطاريات ليثيوم أيون المرنة يمكن أن تؤدي إلى تقدم كبير في تجارة الأجهزة المرنة ”

تحمل هذه الدراسة عنوان “بطاريات أيونات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن المستوحاة من الأجزاء الحية والمرنة الشبيهة بالعمود الفقري بكثافة طاقة عالية ”

 

 

 

ترجمة: فاطمة محمد

Fatimamk35@

مراجعة: آلاء

Alaa_fit@

 

المصدر:

TechXplore: Engineers develop flexible lithium battery for wearable electronics

 


شاركنا رأيك طباعة