07 فبراير 2024 (أخبار Nanowerk) سرقت التطورات المستقبلية في مجال الذكاء الاصطناعي والرعاية الصحية الأضواء في معرض الإلكترونيات الاستهلاكية (CES) 2024. ومع ذلك، فإن تكنولوجيا البطاريات هي العامل المغير لقواعد اللعبة في قلب هذه الابتكارات، مما يتيح زيادة كفاءة الطاقة. والأهم من ذلك، أن السيارات الكهربائية هي المكان الذي يتم فيه تطبيق هذه التكنولوجيا بكثافة. يمكن للمركبات الكهربائية اليوم أن تسافر لمسافة حوالي 700 كيلومتر بشحنة واحدة، بينما يهدف الباحثون إلى الوصول إلى نطاق بطارية يصل إلى 1,000 كيلومتر. يستكشف الباحثون بحماس استخدام السيليكون، المعروف بقدرته التخزينية العالية، كمادة الأنود في بطاريات أيون الليثيوم للمركبات الكهربائية. ومع ذلك، على الرغم من إمكاناته، إلا أن استخدام السيليكون بشكل عملي يظل لغزًا لا يزال الباحثون يعملون بجد لحله. أدخل البروفيسور Soojin Park، ومرشح الدكتوراه Minjun Je، والدكتور Hye Bin Son من قسم الكيمياء في جامعة Pohang للعلوم والتكنولوجيا (POSTECH). لقد قاموا بفك الشفرة، وتطوير نظام بطارية ليثيوم أيون من الجيل التالي عالي الطاقة وعالي الكثافة وصديق للجيب باستخدام جزيئات السيليكون الدقيقة وإلكتروليتات البوليمر الهلامية. تم نشر هذا العمل في العلوم المتقدمة ("صياغة روابط تساهمية مستحثة بشعاع الإلكترون لأنود جسيمات السيليكون الدقيقة المستقرة وعالية الكثافة في الطاقة").
تكوين الروابط التساهمية بين السيليكون الدقيق والكهارل الهلامي عبر عملية شعاع الإلكترون. (الصورة: POSTECH) يمثل استخدام السيليكون كمادة للبطارية تحديات: فهو يتوسع بأكثر من ثلاث مرات أثناء الشحن ثم يتقلص مرة أخرى إلى حجمه الأصلي أثناء التفريغ، مما يؤثر بشكل كبير على كفاءة البطارية. استخدام السيليكون بحجم النانو (10-9 م) يعالج المشكلة جزئيًا، لكن عملية الإنتاج المعقدة معقدة ومكلفة بشكل فلكي، مما يجعلها اقتراحًا صعبًا للميزانية. على النقيض من ذلك، السيليكون صغير الحجم (10-6م ) عملي بشكل رائع من حيث التكلفة وكثافة الطاقة. ومع ذلك، تصبح مشكلة توسع جزيئات السيليكون الأكبر حجمًا أكثر وضوحًا أثناء تشغيل البطارية، مما يفرض قيودًا على استخدامها كمادة أنود. قام فريق البحث بتطبيق إلكتروليتات بوليمر هلامية لتطوير نظام بطارية اقتصادي ومستقر يعتمد على السيليكون. يعد الإلكتروليت الموجود داخل بطارية الليثيوم أيون مكونًا حاسمًا، حيث يسهل حركة الأيونات بين الكاثود والأنود. على عكس الإلكتروليتات السائلة التقليدية، توجد الإلكتروليتات الهلامية في حالة صلبة أو هلامية، وتتميز ببنية بوليمر مرنة تتمتع بثبات أفضل من نظيراتها السائلة. استخدم فريق البحث شعاعًا إلكترونيًا لتكوين روابط تساهمية بين جزيئات السيليكون الدقيقة والإلكتروليتات الهلامية. تعمل هذه الروابط التساهمية على تشتيت الضغط الداخلي الناتج عن توسع الحجم أثناء تشغيل بطارية الليثيوم أيون، مما يخفف من التغيرات في حجم السيليكون الصغير ويعزز الاستقرار الهيكلي. وكانت النتيجة رائعة: أظهرت البطارية أداءً مستقرًا حتى مع جزيئات السيليكون الدقيقة (5 ميكرومتر)، والتي كانت أكبر بمئة مرة من تلك المستخدمة في أنودات السيليكون النانوية التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، أظهر نظام إلكتروليت هلام السيليكون الذي طوره فريق البحث موصلية أيونية مماثلة للبطاريات التقليدية التي تستخدم الإلكتروليتات السائلة، مع تحسن بنسبة 40٪ تقريبًا في كثافة الطاقة. علاوة على ذلك، يتمتع نظام الفريق بقيمة كبيرة نظرًا لعملية التصنيع المباشرة والجاهزة للتطبيق الفوري. وشدد البروفيسور سوجين بارك: “لقد استخدمنا أنودًا من السيليكون الصغير، ومع ذلك، لدينا بطارية مستقرة. هذا البحث يجعلنا أقرب إلى نظام بطارية ليثيوم أيون حقيقي عالي الكثافة من الطاقة.
تكوين الروابط التساهمية بين السيليكون الدقيق والكهارل الهلامي عبر عملية شعاع الإلكترون. (الصورة: POSTECH) يمثل استخدام السيليكون كمادة للبطارية تحديات: فهو يتوسع بأكثر من ثلاث مرات أثناء الشحن ثم يتقلص مرة أخرى إلى حجمه الأصلي أثناء التفريغ، مما يؤثر بشكل كبير على كفاءة البطارية. استخدام السيليكون بحجم النانو (10-9 م) يعالج المشكلة جزئيًا، لكن عملية الإنتاج المعقدة معقدة ومكلفة بشكل فلكي، مما يجعلها اقتراحًا صعبًا للميزانية. على النقيض من ذلك، السيليكون صغير الحجم (10-6م ) عملي بشكل رائع من حيث التكلفة وكثافة الطاقة. ومع ذلك، تصبح مشكلة توسع جزيئات السيليكون الأكبر حجمًا أكثر وضوحًا أثناء تشغيل البطارية، مما يفرض قيودًا على استخدامها كمادة أنود. قام فريق البحث بتطبيق إلكتروليتات بوليمر هلامية لتطوير نظام بطارية اقتصادي ومستقر يعتمد على السيليكون. يعد الإلكتروليت الموجود داخل بطارية الليثيوم أيون مكونًا حاسمًا، حيث يسهل حركة الأيونات بين الكاثود والأنود. على عكس الإلكتروليتات السائلة التقليدية، توجد الإلكتروليتات الهلامية في حالة صلبة أو هلامية، وتتميز ببنية بوليمر مرنة تتمتع بثبات أفضل من نظيراتها السائلة. استخدم فريق البحث شعاعًا إلكترونيًا لتكوين روابط تساهمية بين جزيئات السيليكون الدقيقة والإلكتروليتات الهلامية. تعمل هذه الروابط التساهمية على تشتيت الضغط الداخلي الناتج عن توسع الحجم أثناء تشغيل بطارية الليثيوم أيون، مما يخفف من التغيرات في حجم السيليكون الصغير ويعزز الاستقرار الهيكلي. وكانت النتيجة رائعة: أظهرت البطارية أداءً مستقرًا حتى مع جزيئات السيليكون الدقيقة (5 ميكرومتر)، والتي كانت أكبر بمئة مرة من تلك المستخدمة في أنودات السيليكون النانوية التقليدية. بالإضافة إلى ذلك، أظهر نظام إلكتروليت هلام السيليكون الذي طوره فريق البحث موصلية أيونية مماثلة للبطاريات التقليدية التي تستخدم الإلكتروليتات السائلة، مع تحسن بنسبة 40٪ تقريبًا في كثافة الطاقة. علاوة على ذلك، يتمتع نظام الفريق بقيمة كبيرة نظرًا لعملية التصنيع المباشرة والجاهزة للتطبيق الفوري. وشدد البروفيسور سوجين بارك: “لقد استخدمنا أنودًا من السيليكون الصغير، ومع ذلك، لدينا بطارية مستقرة. هذا البحث يجعلنا أقرب إلى نظام بطارية ليثيوم أيون حقيقي عالي الكثافة من الطاقة.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=64611.php
