بطاريات الليثيوم أيون تسجل تطورًا مهمًا.. ثورة في تقنيات تخزين الكهرباء

نوار صبح

2026-01-10

0 855

بطاريات الليثيوم أيون تُعد مكونات سلبية في بنية تخزين الكهرباء
أنابيب الكربون النانوي حظيت ة باهتمام واسع النطاق لقدرتها على تكوين شبكات نقل الإلكترونات
الألياف الكربونية جُرّبت سابقًا نظرًا لخصائصها الكهربائية الفائقة
أنابيب الكربون النانوية أحادية البعد تُتيح تشابكًا ميكانيكيًا مع مصفوفة القطب الكهربائي

سجلت بطاريات الليثيوم أيون تطورًا جديدًا بشأن الأقطاب الكهربائية متعددة الوظائف، في خطوة من شأنها أن تُحدث ثورة في جهود تحول الطاقة بعيدًا عن الوقود الأحفوري.

وقام باحثون في جامعة غيونغسانغ الوطنية في كوريا، بتنمية أنابيب الكربون النانوية على أقمشة منسوجة من الكوارتز لتكون بمثابة أقطاب كهربائية متعددة الوظائف، ما يتيح نقلًا فعالًا للشحنة في بطاريات الليثيوم أيون الهيكلية.

في ظروف المختبر، أظهرت بطاريات الليثيوم أيون احتفاظًا بالشحنة بنسبة تقارب 90% بعد 50 دورة شحن/تفريغ، ما يمهد الطريق لاعتمادها في السيارات الكهربائية وتطبيقات الفضاء في المستقبل، بحسب التفاصيل التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.

ومن تخزين الطاقة المتجددة الفائضة لاستعمالها لاحقًا إلى تشغيل وسائل النقل، تُستعمل بطاريات الليثيوم أيون في جميع التطبيقات.

تخزين الكهرباء

على الرغم من التقدم المحرز في سعة تخزين الكهرباء وأوقات الشحن، فإن بطاريات الليثيوم أيون، في حد ذاتها، تُعد مكونات سلبية في بنية تخزين الكهرباء، إذ تُسهم بشكل كبير في الوزن ولكنها لا تتحمل سوى القليل من الحمل الهيكلي.

ويهدف الباحثون إلى تغيير هذا الواقع من خلال بطاريات الليثيوم أيون الهيكلية التي لا تتميز فقط بكثافة شحن أعلى، بل بقدرة تحمُّل أكبر، ما يسمح بدمجها بشكل أكثر فاعلية في الأجهزة، وهذا يُحسّن سلامة البطارية وسيُقلل وزنها.

وقد يكون هذا الأمر بالغ الأهمية في تطبيقات الفضاء الجوي، مثل الطائرات المسيرة والطائرات الكهربائية، حيث تُقلل البطاريات الثقيلة من الكفاءة الإجمالية.

حزمة بطاريات ليثيوم لسيارة كهربائية - الصورة من إنترستينغ إنجينيرينغ

تحديات بطاريات الليثيوم أيون الهيكلية

لصنع بطاريات ليثيوم أيون هيكلية موثوقة، يحتاج الباحثون إلى مواد أقطاب كهربائية تتميز بمتانة ميكانيكية وخصائص كهروكيميائية جيدة.

وقد جُرّبت الألياف الكربونية سابقًا نظرًا إلى خصائصها الكهربائية الفائقة. في المقابل، تتميز هذه الأقطاب الكهربائية بثبات حراري وكيميائي أقل، وفقًا لما اطلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة.

وتُلبي الألياف السيليكية، مثل أقمشة الكوارتز المنسوجة (QWFs)، جميع متطلبات الثبات البُعدي والخمول الكيميائي والمقاومة الحرارية. تسمح هذه الخصائص باستعمال هذه الألياف حتى في البيئات القاسية.

بالمثل، تُظهر أقمشة الكوارتز المنسوجة موصلية كهربائية ضعيفة، ولا يُمكن استعمالها بوصفها مجمعات تيار فعالة أو مكونات أقطاب كهربائية نشطة في بطاريات الليثيوم أيون.

ويسعى الباحثون إلى التغلب على هذه العيوب باستعمال مناهج بديلة لترسيب الجسيمات النانوية المعدنية، مثل النيكل والنحاس، على أغشية الأغشية الرقيقة الكمومية.

وحظيت أنابيب الكربون النانوية (CNTs) باهتمام واسع النطاق لقدرتها على تكوين شبكات نقل الإلكترونات.

ونظرًا إلى أن أنابيب الكربون النانوية أحادية البعد، فإنها تُتيح تشابكًا ميكانيكيًا مع مصفوفة القطب الكهربائي، ما يُعززها بشكل فعال ويُحسّن من سلامتها الهيكلية.

تقنية البحث

استعمل باحثون بجامعة غيونغسانغ الوطنية في كوريا الجنوبية تقنية الترسيب الكيميائي للبخار مع النيكل بوصفها محفزًا لتحقيق نمو منتظم لأنابيب الكربون النانوية على أغشية الأغشية الرقيقة الكمومية.

وقد اختاروا هذه التقنية لأنها تُسهّل تكوين رابطة قوية بين أنابيب الكربون النانوية والنسيج الأساسي دون الحاجة إلى عوامل ربط إضافية.

تجدر الإشارة إلى أن نمو أنابيب الكربون النانوية حول النسيج يكون منتظمًا، ويمكن ضبط شكلها بدقة باستعمال معايير التفاعل مثل درجة الحرارة، وتركيب الغاز، وطريقة توزيع المحفز.

مركز لإعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية المستعملة في مدينة سيهيونغ بكوريا الجنوبية – الصورة من مؤسسة البيئة الكورية

من ناحية ثانية، فإن نمو أنابيب الكربون النانوية حول النسيج يكون منتظمًا، ويمكن ضبط شكلها بدقة باستعمال معايير التفاعل مثل درجة الحرارة، وتركيب الغاز، وطريقة توزيع المحفز.

وحسّن الباحثون نمو الأنابيب النانوية الكربونية بشكل أكبر من خلال إجراء العملية عند درجتي حرارة مختلفتين: 600 درجة مئوية و700 درجة مئوية.

وأُطلق على النتيجتين الناتجتين عن هذه التجارب اسمي "سي-كيو دبليو إف-600" و"سي-كيو دبليو إف-700" على التوالي.

ومن بين هاتين البطاريتين، أظهرت البطارية "سي-كيو دبليو إف-700" سعة تفريغ فائقة بلغت 201.54 مللي أمبير/غرام عند معدل شحن/تفريغ 0.1 درجة مئوية. وحافظت على 89.8% من سعتها بعد 50 دورة شحن/تفريغ.

ويُمهد هذا الطريق لتصميم بطاريات هيكلية من الجيل التالي تتميز بخفة وزنها وكفاءتها العالية.

وتُعد هذه البطاريات مثالية لتطبيقات الفضاء والدفاع، ويمكن استعمالها لتشغيل الطائرات المسيرة في المستقبل القريب.

وهذا يتيح تصميم بطاريات هيكلية من الجيل التالي تتميز بخفة وزنها وكفاءتها العالية.

وبالنسبة للتطبيقات المدنية، يمكن استعمال هذه البطاريات لبناء سيارات كهربائية أكثر أمانًا، حيث ستتولى مسؤوليات تحمل الأحمال بدلًا من أن تكون مجرد وزن مهمل داخل السيارة.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..

المصدر..