اكتشفت الدراسة طريقة لصنع البطاريات التي نستخدمها كل يوم لتكون أكثر مرونة وقوة وأمانًا.
نحن في عام 2018 وحياتنا اليومية تغذيها الآن أدوات مختلفة تعمل إما على تشغيلها أو تشغيلها كهرباء أو على البطاريات. يتزايد اعتمادنا على الأدوات والأجهزة التي تعمل بالبطاريات بشكل هائل. أ بطارية هو جهاز يقوم بتخزين الطاقة الكيميائية التي يتم تحويلها إلى كهرباء. تشبه البطاريات المفاعلات الكيميائية الصغيرة التي تنتج إلكترونات مملوءة بالطاقة والتي تتدفق عبر الجهاز الخارجي. سواء كانت هواتف محمولة أو أجهزة كمبيوتر محمولة أو غيرها من المركبات الكهربائية، فإن البطاريات - ليثيوم أيون بشكل عام - هي مصدر الطاقة الرئيسي لهذه التقنيات. مع استمرار تقدم التكنولوجيا، هناك طلب مستمر على بطاريات قابلة للشحن أكثر إحكاما وعالية السعة وآمنة.
البطاريات لها تاريخ طويل ومجيد. استخدم العالم الأمريكي بنجامين فرانكلين مصطلح "البطارية" لأول مرة في عام 1749 أثناء إجراء تجارب على الكهرباء باستخدام مجموعة من المكثفات المرتبطة. اخترع الفيزيائي الإيطالي أليساندرو فولتا أول بطارية في عام 1800 عندما تم فصل أقراص من النحاس (Cu) والزنك (Zn) بقطعة قماش مبللة بالماء المالح. تم اختراع بطارية الرصاص الحمضية ، وهي واحدة من أكثر البطاريات ديمومة وأقدم قابلة لإعادة الشحن ، في عام 1859 وما زالت مستخدمة في العديد من الأجهزة حتى اليوم بما في ذلك محرك الاحتراق الداخلي في المركبات.
قطعت البطاريات شوطًا طويلاً وهي اليوم تأتي في مجموعة من الأحجام من أحجام ميغاواط كبيرة ، لذا فهي من الناحية النظرية قادرة على تخزين الطاقة من مزارع الطاقة الشمسية وإضاءة المدن الصغيرة أو يمكن أن تكون صغيرة مثل تلك المستخدمة في الساعات الإلكترونية رائع أليس كذلك. في ما يسمى بالبطارية الأولية ، يكون التفاعل الذي ينتج عنه تدفق الإلكترونات لا رجوع فيه ، وفي النهاية عندما يتم استهلاك أحد المواد المتفاعلة ، تصبح البطارية مسطحة أو تموت. البطارية الأساسية الأكثر شيوعًا هي بطارية الزنك والكربون. كانت هذه البطاريات الأولية مشكلة كبيرة والطريقة الوحيدة للتعامل مع التخلص من هذه البطاريات هي إيجاد طريقة يمكن من خلالها إعادة استخدامها - مما يعني جعلها قابلة لإعادة الشحن. من الواضح أن استبدال البطاريات بأخرى جديدة كان غير عملي وبالتالي أصبحت البطاريات أكثر قوي وكبيرًا ، أصبح من المستحيل عدم ذكر أن استبدالها والتخلص منها أمر مكلف للغاية.
كانت بطارية النيكل والكادميوم (NiCd) أول البطاريات القابلة لإعادة الشحن الشهيرة التي تستخدم القلويات ككهارل. في عام 1989، تم تطوير بطاريات الهيدروجين المصنوعة من معدن النيكل (NiMH) والتي تتميز بعمر أطول من بطاريات NiCd. ومع ذلك، كان لديهم بعض العيوب، أهمها أنهم كانوا حساسين للغاية للشحن الزائد وارتفاع درجة الحرارة خاصة عندما يتم شحنهم إلى الحد الأقصى لمعدلهم. ولذلك، كان لا بد من شحنها ببطء وبعناية لتجنب أي ضرر، كما تطلب الأمر وقتًا أطول ليتم شحنها بواسطة أجهزة شحن أبسط.
تم اختراع بطاريات الليثيوم أيون (LIBs) في عام 1980، وهي البطاريات الأكثر استخدامًا في المستهلكين. إلكتروني الأجهزة اليوم. يعتبر الليثيوم من أخف العناصر ويتمتع بواحدة من أكبر الإمكانات الكهروكيميائية، وبالتالي فإن هذا المزيج مناسب بشكل مثالي لصنع البطاريات. في LIBs، تتحرك أيونات الليثيوم بين أقطاب كهربائية مختلفة من خلال المنحل بالكهرباء الذي يتكون من الملح و عضوي المذيبات (في معظم LIBs التقليدية). من الناحية النظرية، يعد معدن الليثيوم هو المعدن الأكثر إيجابية كهربائيًا ويتمتع بقدرة عالية جدًا وهو أفضل خيار ممكن للبطاريات. عندما تقوم بطاريات LIBs بإعادة الشحن، يتحول أيون الليثيوم المشحون إيجابيًا إلى معدن الليثيوم. وبالتالي، تعد بطاريات LIBs الأكثر شيوعًا للاستخدام في جميع أنواع الأجهزة المحمولة نظرًا لعمرها الطويل وقدرتها العالية. ومع ذلك، هناك مشكلة رئيسية تتمثل في أن المنحل بالكهرباء يمكن أن يتبخر بسهولة، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي في البطارية، وقد يؤدي ذلك إلى خطر نشوب حريق. من الناحية العملية، تعتبر LIBs غير مستقرة وغير فعالة حقًا حيث بمرور الوقت تصبح تصرفات الليثيوم غير موحدة. تتميز LIBs أيضًا بمعدلات شحن وتفريغ منخفضة ومخاوف تتعلق بالسلامة تجعلها غير قابلة للتطبيق بالنسبة للعديد من الآلات عالية الطاقة وعالية السعة، على سبيل المثال السيارات الكهربائية والهجينة. تم الإبلاغ عن أن LIB يُظهر قدرة جيدة ومعدلات الاحتفاظ في مناسبات نادرة جدًا.
وبالتالي ، فإن كل شيء ليس مثاليًا في عالم البطاريات ، حيث تم في السنوات الأخيرة وضع علامة على الكثير من البطاريات على أنها غير آمنة لأنها تشتعل فيها النيران وغير موثوقة وغير فعالة في بعض الأحيان. يسعى العلماء في جميع أنحاء العالم إلى بناء بطاريات ستكون صغيرة ، وقابلة لإعادة الشحن بأمان ، وأخف وزنًا ، وأكثر مرونة ، وفي نفس الوقت أكثر قوة ، لذلك تحول التركيز إلى إلكتروليتات الحالة الصلبة كبديل محتمل. الحفاظ على هذا كهدف جرب العلماء العديد من الخيارات ، لكن الاستقرار وقابلية التوسع كانا عقبة في معظم الدراسات. أظهرت إلكتروليتات البوليمر إمكانات كبيرة لأنها ليست مستقرة فحسب ، بل ومرنة أيضًا وغير مكلفة أيضًا. لسوء الحظ ، فإن المشكلة الرئيسية في إلكتروليتات البوليمر هذه هي ضعف الموصلية والخصائص الميكانيكية.
في دراسة حديثة نشرت في ACS نانو رسائل, الباحثين لقد أظهروا أنه يمكن تعزيز سلامة البطارية وحتى العديد من الخصائص الأخرى عن طريق إضافة أسلاك نانوية إليها، مما يجعل البطارية متفوقة. اعتمد هذا الفريق من الباحثين من كلية علوم وهندسة المواد بجامعة تشجيانغ للتكنولوجيا في الصين على أبحاثهم السابقة حيث صنعوا أسلاك بورات المغنيسيوم النانوية التي أظهرت خصائص ميكانيكية وموصلية جيدة. وفي الدراسة الحالية قاموا بالتحقق مما إذا كان هذا ينطبق أيضًا على البطاريات أسلاك نانوية تضاف إلى إلكتروليت بوليمر صلب الحالة. تم خلط إلكتروليت الحالة الصلبة مع وزن 5 و 10 و 15 و 20 من أسلاك نانوية بورات المغنيسيوم. وقد لوحظ أن الأسلاك النانوية زادت من موصلية إلكتروليت بوليمر الحالة الصلبة مما جعل البطاريات أكثر متانة ومرونة مقارنةً بالبطاريات السابقة التي لا تحتوي على أسلاك نانوية. كانت هذه الزيادة في الموصلية بسبب الزيادة في عدد الأيونات التي تمر وتتحرك عبر المنحل بالكهرباء وبمعدل أسرع بكثير. كان الإعداد بأكمله يشبه البطارية ولكن بأسلاك نانوية مضافة. أظهر هذا معدل أداء أعلى ودورات متزايدة مقارنة بالبطاريات العادية. كما تم إجراء اختبار هام للقدرة على الاشتعال ووجد أن البطارية لم تحترق. تحتاج التطبيقات المحمولة المستخدمة على نطاق واسع اليوم مثل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى ترقية بأقصى طاقة مخزنة وأكثرها إحكامًا. من الواضح أن هذا يزيد من خطر التفريغ العنيف ويمكن إدارته لمثل هذه الأجهزة بسبب الحجم الصغير للبطاريات المطلوبة. ولكن نظرًا لتصميم التطبيقات الأكبر للبطاريات وتجربتها ، فإن السلامة والمتانة والطاقة تكتسب أهمية قصوى.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
شنغ يا وآخرون. 2018. Mg2B2O5 Nanowire ممكّن متعدد الوظائف من إلكتروليتات الحالة الصلبة مع موصلية أيونية عالية ، وخصائص ميكانيكية ممتازة ، وأداء مثبط للهب. رسائل نانو. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
