سعيًا وراء بطاريات توفر المزيد من الطاقة وتعمل بأمان أكثر، يعمل الباحثون على استبدال السوائل المستخدمة اليوم بشكل شائع في بطاريات أيون الليثيوم بمواد صلبة. لقد طور فريق بحثي من جامعة براون وجامعة ماريلاند مادة جديدة لاستخدامها في بطاريات الحالة الصلبة المستمدة من مصدر غير متوقع وهو من الأشجار.

في بحث نُشر في مجلة Nature، أظهر الفريق موصلًا للأيونات الصلبة يجمع بين النحاس مع الألياف النانوية السليلوزية، وهي أنابيب بوليمر مشتقة من الخشب. يقول الباحثون إن المادة الرقيقة الورقية لها موصلية أيونية أفضل من موصلات أيون البوليمرالأخرى بنحو 10 إلى 100 مرة، ويمكن استخدامه إما كمحلول إلكتروليت صلب للبطارية أو كموثق أيوني موصل لكاثود بطارية صلبة بالكامل.

قال ليانجبنج، الأستاذ في قسم علوم وهندسة المواد بجامعة ميريلاند: “من خلال دمج النحاس مع ألياف نانوية من السليلوز أحادية البعد، أثبتنا أن السليلوز العازل للأيونات عادةً يوفر نقلًا أسرع لليثيوم أيون داخل سلاسل البوليمر”. وأضاف قائلاً: “في الواقع، وجدنا أن هذا الموصل الأيوني حقق رقمًا قياسيًا في التوصيل الأيوني بين جميع إلكتروليتات البوليمر الصلبة”. 

لقد تم هذا البحث بالتعاون بين مختبر ليانجبنج ومختبر يوكيو، الأستاذ في كلية براون للهندسة. 

إن بطاريات أيون الليثيوم الموجودة حاليًا، والتي تستخدم على نطاق واسع في كل شيء  بدءًا من الهواتف المحمولة وانتهاءًا باستخدامها في السيارات، تحتوي على إلكتروليتات مصنوعة من ملح الليثيوم المذاب في مذيب عضوي سائل. إن وظيفة الإلكتروليت تتمثل في توصيل أيونات الليثيوم بين كاثود البطارية والأنود. من الصحيح أن الإلكتروليتات السائلة تعمل بشكل جيد، ولكنها لا تخلو من بعض السلبيات، فمثلاً في التيارات العالية يمكن أن تتشكل خيوط دقيقة من معدن الليثيوم في الإلكتروليت يطلق عليها التشعبات، مما يؤدي إلى قصر الدائرة الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، فإن الإلكتروليتات السائلة مصنوعة من مواد كيميائية سامة وقابلة للاشتعال مما يعني اشتعال النار أمر وارد داخلها.

الإلكتروليتات الصلبة لديها القدرة على منع اختراق التشعبات ويمكن أن تكون مصنوعة من مواد غير قابلة للاشتعال. معظم الإلكتروليتات الصلبة التي تم فحصها حتى الآن هي مواد خزفية، والتي تعتبر رائعة في توصيل الأيونات ولكنها في ذات الوقت سميكة وصلبة وهشة. قد تؤدي الضغوط الناجمة أثناء التصنيع وكذلك الشحن والتفريغ إلى حدوث تشققات وانكسارات فيها.

ومع ذلك، فإن المادة المقدمة في هذه الدراسة رقيقة ومرنة، مثل الورقة تقريبًا، وموصليتها تشبه موصلية السيراميك والمواد الخزفية.

أجرى كيو وكيوسهنج، باحث مشارك كبير في براون، محاكاة حاسوبية للهيكل المجهري لمادة السليلوز النحاسي لفهم سبب قدرتها على توصيل الأيونات بشكل جيد. وقد كشفت دراسة النمذجة هذه أن النحاس يزيد المسافة بين سلاسل بوليمر السليلوز، والتي توجد عادةً في حزم معبأة بإحكام. هذا التباعد الموسع  يخلق طرق سريعة تمكن أيونات الليثيوم من أن تنطلق خلالها دون عوائق نسبيًا.

قال كيو: “تتحرك أيونات الليثيوم في الإلكتروليت العضوي الصلب من خلال آليات  مطابقة تمامًا لما وجدناه في السيراميك غير العضوي، مما يعني تسجيل موصلية عالية للأيون”. واستطرد قائلاً: “إن استخدام المواد التي توفرها الطبيعة سيقلل كثيرًا من التأثير الكلي لتصنيع البطاريات على بيئتنا”.

بالإضافة إلى قدرة المادة الجديدة للعمل كإلكتروليت صلب، يمكن أن تعمل أيضًا كموثق كاثود لبطارية الحالة الصلبة. من أجل أن يحصل توافق بين قدرة الأنودات والكاثودات، يجب أن تكون الكاثودات أكثر سمكًا إلى حد كبير. ومع ذلك، يمكن أن تضر هذه  السماكة بالتوصيل الأيوني مما يعني تقليل الكفاءة. لذا لكي تعمل الكاثودات السميكة؛ لذا يجب تغليفها في مادة رابطة موصلة للأيونات. وهنا يكمن أهمية استخدام المادة الجديدة كمواد رابطة، حيث يعتقد الفريق البحثي أنه يعد واحدًا من أسمك الكاثودات الوظيفية التي تم تسجيلها على الإطلاق.  وأخيرًا يأمل الباحثون في أن تكون المادة الجديدة خطوة نحو إدخال تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة إلى السوق الشامل.

المصدر: https://techxplore.com

ترجمة: عائشة جلال الأصفر

تويتر: @Aisha36550897

مراجعة وتدقيق: لبنى عبدالله آل ربيع

تويتر: astrolubna@