حقق باحثون في جامعة هونغ كونغ (HKU) قفزة نوعية في تكنولوجيا البطاريات من خلال تطوير بطارية ليثيوم معدنية آمنة وقادرة على إعادة الشحن لفترات طويلة. مصممة للعمل بكفاءة في درجات الحرارة المرتفعة. يهدف هذا الإنجاز إلى تلبية الطلب المتزايد على البطاريات القادرة على أداء وظائفها في الظروف القاسية. والتي أصبحت ضرورية بشكل متزايد في مختلف القطاعات الصناعية. بما في ذلك تعقيم الأجهزة الطبية واستكشاف باطن الأرض.
الميزات الرئيسية للبطارية الجديدة
تعتمد البطارية الجديدة على إلكتروليت بوليمري خالٍ من الشقوق الدقيقة (Microcrack-free polymer electrolytes). عبارة عن مادة تفصل بين أجزاء البطارية. وهو عنصر أساسي لتعزيز السلامة وعمر البطارية. تواجه بطاريات الليثيوم أيون التقليدية تحديات عديدة. مثل مخاوف السلامة، وقصر عمر البطارية، وانخفاض كثافة الطاقة (كمية الطاقة المخزنة). خاصة في درجات الحرارة المرتفعة. نقيضا لذلك، فإن الإلكتروليت البوليمري الخالي من الشقوق الدقيقة في تصميم البطارية الجديد يحسن الأداء بشكل كبير. مما يسمح باحتفاظ بسعة (قدرة تخزين الطاقة) تبلغ 92.7%. وكفاءة كولومبية (Coulombic efficiency) مذهلة تبلغ 99.867% على مدار 450 دورة شحن و تفريغ عند درجة حرارة 100 درجة مئوية. يعد هذا الأداء تحسناً ملحوظاً مقارنة ببطاريات الليثيوم المعدنية التقليدية التي تستخدم الإلكتروليت السائل. والتي عادة ما تدوم أقل من عشر دورات في الظروف نفسها.
كيف تعمل بطارية الليثيوم المعدنية الجديدة؟
يكمن الابتكار في أنيونات البورات المرتبطة (Tethered borate anions). وهي جسيمات سالبة الشحنة داخل أغشية البوليمر. والتي تسهل النقل الانتقائي السريع لأيونات الليثيوم (Li+ جسيمات موجبة الشحنة ). لا تعزز هذه الآلية كفاءة البطارية فحسب، بل تكبح أيضًا تشكل التشعبات الدندريتية (Dendrite formation). وهي عبارة عن إبر صغيرة. انها مشكلة شائعة في بطاريات الليثيوم المعدنية يمكن أن تؤدي إلى حدوث ضغط كهربائي ومخاطر تتعلق بالسلامة. يضمن التصميم الخالي من الشقوق الدقيقة استقرار الإلكتروليت وفعاليته حتى تحت الضغط الناتج عن درجات الحرارة المرتفعة.
مجالات استخدام البطارية الجديدة
للدراسة آثار بعيدة المدى. كما أشار الدكتور جينغيي غاو (Jingyi Gao) المؤلف الأول للدراسة المنشورة في مجلة “Advanced Science“. يمكن أن يمهد هذا الابتكار الطريق لتطوير كيمياء بطارية جديدة. وتحدث ثورة في مجال البطاريات القابلة لإعادة الشحن للتطبيقات عالية الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتيح قدرة التصميم على دعم الشحن السريع للسيارات الكهربائية، إعادة شحنها في وقت قصير جدا. مما يمثل قفزة نوعية نحو مستقبل طاقة أكثر كفاءة ونظافة. بالاضافة الى ذلك، قد تساهم هذه البطاريات بشكل كبير في تعقيم الأجهزة الطبية والعمليات الاستكشافية الجيولوجية.
أكد البروفيسور دونغ ميونغ شين (Dong-Myeong Shin)، الذي قاد فريق البحث، على إمكانية أن تحول هذه الإلكتروليتات الخالية من الشقوق الدقيقة مشهد حلول تخزين الطاقة. إن تطوير مثل هذه البطاريات لا يعزز السلامة وعمر البطارية فحسب، بل يفتح أيضًا آفاقًا جديدة لتطبيقها في مختلف المجالات التي تتطلب مصادر طاقة موثوقة في ظل الظروف الصعبة.
في الختام..
تمثل بطارية الليثيوم المعدنية الجديدة التي طورها باحثو جامعة هونغ كونغ قفزة نوعية في تكنولوجيا البطاريات. حيث تجمع بين السلامة والكفاءة والقدرة على العمل في بيئات ذات درجات حرارة مرتفعة. ومع استمرار الطلب على حلول تخزين الطاقة الموثوقة، فإن مثل هذه الابتكارات ضرورية لمواجهة تحديات احتياجات الطاقة الحديثة.
من اعداد: جميل قروش
