تطوير بطارية هلامية قائمة على الإلكتروليت

يواجه الاعتماد على السيارات الكهربائية على نطاق واسع عقبة كبيرة، وهو خطر الحرائق والانفجارات المرتبطة ببطاريات أيونات الليثيوم. ويكمن السبب وراء هذا الخطر في الإلكتروليتات السائلة المستخدمة في هذه البطاريات. اتخذ فريق البروفيسور سوجين بارك في قسم الكيمياء في جامعة بوهانغ للعلوم والتكنولوجيا خطوة حاسمة نحو معالجة هذه المشكلة من خلال تطوير بطارية هلامية قائمة على الإلكتروليت.

البحث عن بطاريات أكثر أمانًا

لقد كان السعي وراء بطاريات أكثر أمانًا مسعى مستمرًا للعلماء، مدفوعًا بالحاجة إلى تسخير طاقة الكهرباء مع تخفيف المخاطر المرتبطة بها. يعود البحث عن بطاريات أكثر أمانًا إلى أوائل القرن العشرين، عندما تم تطوير البطاريات القابلة لإعادة الشحن الأولى. اعتمدت هذه البطاريات المبكرة على تكنولوجيا حمض الرصاص، والتي شكلت مخاوف كبيرة تتعلق بالسلامة بسبب المواد الخطرة المستخدمة.

مع تقدم التكنولوجيا، حول العلماء انتباههم إلى بطاريات النيكل والكادميوم (Ni-Cd)، التي قدمت أداءً محسنًا ولكنها لا تزال تنطوي على مخاطر تتعلق بالسلامة. حيث أثارت سمية الكادميوم وإمكانية الانفلات الحراري مخاوف، مما دفع الباحثين إلى استكشاف مواد بديلة.

شكلت ثورة بطارية أيونات الليثيوم (Li-ion) في التسعينيات علامة بارزة في البحث عن بطاريات أكثر أمانًا. تتميز هذه البطاريات بكثافة طاقة أعلى وعمر أطول وسلامة محسنة مقارنة بأسلافها. ومع ذلك، فإن الإلكتروليتات (Electrolyte) السائلة المستخدمة في هذه البطاريات لا تزال تشكل خطر الحريق والانفجار، لأنها يمكن أن تشتعل في ظل ظروف معينة.

في السنوات الأخيرة، تحول التركيز نحو بطاريات الحالة الصلبة، التي تحل محل الإلكتروليت السائل بمادة صلبة. في حين أن بطاريات الحالة الصلبة توفر أمانًا معززًا، إلا أنها عانت من انخفاض كثافة الطاقة وارتفاع تكاليف الإنتاج. ظهرت بطارية الحالة شبه الصلبة، وهي حل وسط بين بطاريات أيونات الليثيوم التقليدية وبطاريات الحالة الصلبة، كبديل واعد.

لقد لعب تطوير الشوارد الهلامية دورًا حاسمًا في البحث عن بطاريات أكثر أمانًا. باستخدام مادة تشبه الهلام، يمكن لهذه البطاريات أن توفر استقرارًا محسنًا وكثافة طاقة وعمرًا افتراضيًا. ومع ذلك، فقد أثبتت عملية التصنيع أنها صعبة، حيث تؤدي المعالجات ذات درجات الحرارة المرتفعة إلى تدهور الإلكتروليتات بالكهرباء وزيادة تكاليف الإنتاج.

بطارية هلامية قائمة على الإلكتروليت

إن تمكننا من خلق عالم لا تكون فيه السيارات الكهربائية صديقة للبيئة فحسب، بل آمنة وموثوقة أيضًا. تكاد تكون هذه الرؤية واقعية الآن أكثر من ذي قبل، وذلك بفضل العمل المبتكر لفريق البروفيسور سوجين بارك. فمن خلال صناعة إلكتروليت هلامي قابل للتطبيق تجاريًا وآمن أكثر من بطاريات الليثيوم، فقد تغلب الفريق على عقبة كبيرة في نشر السيارات الكهربائية على نطاق واسع.

تتضمن الطريقة التقليدية لإنتاج الإلكتروليتات الهلامية معالجة حرارية طويلة عند درجات حرارة عالية، مما قد يؤدي إلى تحلل الإلكتروليت وانخفاض أداء البطارية. للتغلب على هذا القيد، استخدم الباحثون مادة مضافة ثنائية الوظيفة وقابلة للربط المتبادل (CIA) تسمى ديبنتاريريثريتول هيكساكريليت (DPH) بالاشتراك مع تقنية شعاع الإلكترون (e-beam). أتاح هذا النهج المبتكر إنشاء إلكتروليت هلامي يتمتع بثبات معزز وكثافة طاقة وعمر أطول.

تضمنت استراتيجية الفريق إضافة خطوة إضافية لتقنية شعاع الإلكترون بعد عملية تفريغ الغاز في عملية تصنيع البطاريات التقليدية. مكّن هذا التعديل الذكي المادة المضافة الثنائية الوظيفة والقابلة للربط المتبادل من العمل كمادة لتكوين واجهة مستقرة بين أسطح الأنود والكاثود أثناء التنشيط، وكرابط متشابك لتشكيل بنية بوليمر أثناء عملية شعاع الإلكترون.

ومن خلال التغلب على تحديات التصنيع، نجح الباحثون في تطوير بطارية عالية السعة تبلغ 1.2 أمبير يمكن إنتاجها بكميات كبيرة بسرعة. ويمهد هذا الإنجاز الطريق لتسويق بطاريات هلامية تعتمد على الإلكتروليت.

• بطاريات الليثيوم الفائزة بجائزة نوبل الكيمياء 2019 ، كيف تعمل؟ وما أهميتها في حياتنا؟
• ما هي خلايا الوقود الهيدروجينية؟
• نوبل الكيمياء 2019 | من هم الفائزون وما سبب فوزهم؟
• حقائق حول شحن بطارية الهاتف والابتوب
• ماذا نعرف عن بطارية بغداد؟

تعزيز السلامة والمتانة

لديك مستقبل تهيمن فيه السيارات الكهربائية على الطرق، مما يقلل من انبعاثات الغازات الدفيئة ويقلل اعتمادنا على الوقود الأحفوري. وقد أصبحت هذه الرؤية الآن أقرب إلى الواقع، وذلك بفضل التقدم في تكنولوجيا الإلكتروليت الهلامي. ومن خلال تقليل مخاطر الحرائق والانفجارات، ستعمل هذه البطاريات على ترسيخ الثقة لدى المستهلكين، مما يؤدي إلى زيادة معدلات الاعتماد، وفي نهاية المطاف، بيئة أنظف.

لكن التأثير لا يتوقف عند هذا الحد. إذ يعني تعزيز السلامة والمتانة أيضًا أن السيارات الكهربائية يمكنها السفر لمسافات أطول دون الحاجة إلى إعادة الشحن، مما يجعلها خيارًا عمليًا للرحلات البرية الطويلة. وقد يؤدي ذلك إلى انخفاض كبير في عدد محطات الوقود والبنية التحتية للشحن، مما يجعل مدننا أكثر نظافة وكفاءة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن الأداء المحسن لهذه البطاريات سيمكن أيضًا من اعتماد مصادر الطاقة المتجددة على نطاق أوسع، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، لشحن السيارات الكهربائية. سيؤدي نظام الحلقة المغلقة هذا إلى تقليل البصمة الكربونية لدينا، مما يخلق نظامًا بيئيًا مستدامًا للطاقة.

المصدر:

Whoever controls electrolytes will pave the way for electric vehicles / science daily