قابلة للشحن في 10 دقائق، باحثون يطورون بطارية صلبة من معدن الليثيوم
⬤ طور باحثون في جامعة هارفارد بطارية صلبة الحالة من معدن الليثيوم تشحن في 10 دقائق فقط، وتعمل لمدة 6 آلاف دورة.
⬤ تتميز البطاريات ذات أنود الليثيوم بأنها أكبر سعةً بعشرة أضعاف من أنود الجرافيت التجاري، فهي تزيد المسافة التي تقطعها السيارات الكهربائية.
⬤ يعزز هذا الابتكار من المساعي الحثيثة لتصنيع بطاريات صلبةِ الحالة، ومفيدة عملياً للتطبيقات والاستخدامات الصناعية والتجارية.
استطاع باحثون في كلية جون بولسن للهندسة والعلوم التطبيقية التابعة لجامعة هارفارد (SEAS) أن يطوروا بطارية جديدة مصنوعة من معدن الليثيوم، وتتميز بقدرتها على العمل لأكثر من 6 آلاف دورة، وبأنها قابلة للشحن بسرعة خلال دقائق معدودة.
يأتي هذا البحث بطريقة جديدة لتصنيع بطاريات صلبة الحالة باستخدام معدن الليثيوم كأنود، ويقدم أيضاً فهماً جديداً للتفاعل بين الليثيوم والمواد في الأنود ضمن هذه النوع من البطاريات.
قال شين لي، الأستاذ المساعد في علوم المواد لدى كلية SEAS، والمؤلف الرئيسي للورقة العلمية: «تعد البطاريات ذات الأنود المصنوع من معدن الليثيوم الهدفَ المنشودَ ضمن مجال صناعة البطاريات، وذلك لأنها تمتلك سعة أكبر بعشرة أضعاف من أنود الجرافيت التجاري، وتستطيع أن تزيد المسافة التي تقطعها السيارات الكهربائية بشكل كبير. يعد بحثنا خطوة مهمة نحو تصنيع بطاريات صلبة الحالة مفيدة عملياً للتطبيقات والاستخدامات الصناعية والتجارية».
تكمن المشكلة الأبرز عند تصميم هذه البطاريات في تشكُلِ التشعبات على سطح الأنود، مما يؤدي إلى تراجع وضع البطارية بسرعة، وقصر عمرها، وضعف أدائها، وإمكانية اشتعالها في بعض الحالات. وفي عام 2021 أتى لي وفريقه بطريقة جديدة للتعامل مع مشكلة التشعبات، فصمموا بطارية متعددة الطبقات احتوت على مواد مختلفة ومتفاوتة الاستقرار بين الأنود والكاثود. وساهم هذا التصميم الفريد في تقييد اختراق تشعبات الليثيوم عبر التحكم بها واحتوائها.
أما في البحث الجديد، فاستطاع فريق لي إيقاف تشكل التشعبات باستخدام جسيمات سيلكون حجمها ميكرون واحد في الأنود، مما خفف تفاعل الليثيوم، وسهّل طلاء طبقة سميكة متجانسة من معدن الليثيوم؛ ففي التصميم الجديد، حينما تنتقل أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود خلال الشحن، يكون تفاعل الليثيوم مقيداً عند السطح، وبذلك تلتصق الأيونات بسطح جسيمات السيلكون لكنها لا تستطيع الاختراق أكثر.
قال لي إنّ تصميمهم معتمد على لفّ معدن الليثيوم حول جسيمات السيلكون، فتشكل هذه الجسيمات المطلية سطحاً متجانساً تتوزع عبره كثافة التيار بالتساوي، فيحول ذلك دون نمو التشعبات وزيادتها. وقد قال الباحثون إنّ هذه البطارية يمكن إعادة شحنها بوقت قصير لا يتعدى 10 دقائق فقط.
طور الباحثون نسخة بطارية خلوية بحجم الطابع البريدي، وهي أكبر بنحو 10-20 مرة من الخلية الدائرية المعدنية الموجودة في معظم مختبرات الجامعات. وحافظت البطارية على 80% من سعتها بعد 6 آلاف دورة، فتفوقت بذلك على نظيراتها الموجودة في الأسواق حالياً.
جرى ترخيص هذه التكنولوجيا عبر مكتب Harvard Office of Technology Development لصالح شركة Adden Energy التي تتبع لجامعة هارفارد، والتي أسسها لي وثلاثة خريجين آخرين. وتوسع الشركة نطاق التكنولوجيا لتطوير بطارية خلوية بحجم هاتف ذكي.
عكف لي وفريقه على تعيين الخصائص التي تسمح للسيلكون بتقييد انتشار الليثيوم، وذلك لتيسير العملية الديناميكية التي تُفضّل استخدام طلاء متجانس من الليثيوم السميك. وبعد ذلك حددوا موصِّف خاصية فريدة لوصف هذه العملية وحسابها في جميع المواد غير العضوية المعروفة. وفي نهاية المطاف توصل الفريق إلى عشرات المواد الأخرى التي تؤدي أداء مماثلاً.
قال لي: «أظهرت الأبحاث السابقة أنّ مواد أخرى، مثل الفضة، ربما تكون مناسبة للأنود في البطاريات الصلبة الحالة. ويكشف بحثنا عن إحدى الآليات الأساسية المحتملة لهذه العملية، ويوفر سبيلاً لتحديد مواد جديدة يمكن استخدامها في تصميم البطارية».
