أخبار ar.wedoany.com، طوّر باحثون في مختبر جوليا ر. غرير (Julia R. Greer) بمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) طريقة جديدة لتصنيع كاثودات بطاريات ذات بنية ثلاثية الأبعاد، تهدف إلى تحسين سلامة البطاريات مستقبلًا وتقليل تأثيرها البيئي ورفع أدائها.
يستبدل هذا الكاثود الجديد الكوبالت، وهو مادة سامة ومكلفة وتثير عملية استخراجه إشكاليات أخلاقية، بفوسفات حديد الليثيوم (LFP) المضمن في مصفوفة كربونية. يُعد فوسفات حديد الليثيوم أكثر أمانًا عند الشحن الزائد، وأقل عرضة للتسبب في اشتعال النيران أو حدوث قصر في الدائرة. وقد تغلب الباحثون على القيود المرتبطة بالأداء الضعيف نسبيًا لفوسفات حديد الليثيوم من خلال إعادة تصميم البنية الداخلية للبطارية.
أوضح يينغجين وانغ (Yingjin Wang)، طالب دراسات عليا في مختبر غرير، أن الفريق طوّر طريقة عامة لتصنيع أقطاب بطاريات ذات بنية ثلاثية الأبعاد باستخدام مواد أكثر أمانًا. فمن خلال دمج فوسفات حديد الليثيوم (المعروف باسم LFP) مع مصفوفة كربونية، يعزز هذا التصميم المتانة الميكانيكية للبطارية مع التخلص من استخدام الكوبالت الخطير.
تُعد بطاريات الليثيوم أيون المصدر الرئيسي للطاقة في الأجهزة المحمولة الحديثة والمركبات الكهربائية وشبكات الطاقة المتجددة، وتتكون من خمسة مكونات أساسية: المصعد (الأنود)، والمهبط (الكاثود)، والإلكتروليت السائل، والفاصل، والمجمع الحالي. ورغم قيمتها التجارية الكبيرة، إلا أن التصميم القياسي ينطوي على مخاطر سلامة مستمرة وقيود في الأداء. يقدم هذا التقدم الجديد، من خلال إعادة تصور تصميم البطارية، توجهًا نحو تكنولوجيا تخزين طاقة أكثر أمانًا وصديقة للبيئة وأعلى أداءً.
تعتمد بطاريات الليثيوم أيون التقليدية على أقطاب كهربائية ثنائية الأبعاد مسطحة، بينما يقدم البحث الجديد كاثودًا ذا بنية مجسمة يتم إنتاجه عبر الطباعة ثلاثية الأبعاد. يتيح الانتقال من التصميم المسطح إلى البنية ثلاثية الأبعاد تعظيم مساحة السطح النشطة لتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. وأوضحت غرير أن هذه البنية تسمح بفصل مسافات الانتشار في الحالة الصلبة عن تلك في الحالة السائلة؛ فعندما يتدفق الإلكتروليت السائل عبر البنية المتاهية، يتوفر سطح صلب في كل مكان. في الوقت نفسه، يقلل هذا التصميم من درجة التعقيد (الالتواء) ويقصر مسار الحركة الفيزيائية للأيونات بين الكاثود والفاصل، مما يعزز كثافة قدرة البطارية ويجعلها قادرة على إطلاق الطاقة المخزنة بسرعة أكبر.
تعتمد كاثودات بطاريات الليثيوم أيون الحالية على الكوبالت، الذي تعاني سلسلة توريده من ممارسات تعدين غير أخلاقية، كما أن المادة نفسها تنطوي على مخاطر تتعلق بالسلامة. في المقابل، يُعد فوسفات حديد الليثيوم بديلاً أكثر أمانًا، حيث تقلل خصائصه الكيميائية المستقرة من خطر الانفلات الحراري أو حدوث قصر في الدائرة. وأشارت غرير إلى أن فوسفات حديد الليثيوم ليس مادة جديدة بحد ذاتها، لكن استخدام التصنيع المضاف (أي الطباعة ثلاثية الأبعاد) لتصنيع أقطاب هيكلية خالية من الكوبالت هو أمر جديد. يتمثل المعلم التالي للباحثين في تصميم مصعد (أنود) مكمل من فوسفات حديد الليثيوم ذي بنية ثلاثية الأبعاد، لتحقيق بطارية كاملة البنية ثلاثية الأبعاد تجمع بين كثافة الطاقة العالية وكثافة القدرة العالية. ونظرًا لكون البحث لا يزال في مراحله المبكرة وتعقيد معايير التصنيع، فإن تحقيق هذا الهدف سيمثل تحديًا تصنيعيًا شديد التعقيد. الهدف النهائي للفريق هو دمج إلكتروليت قائم على البوليمر لتحقيق بطارية صلبة بالكامل. نُشرت الدراسة في دورية "ACS Energy Letters".
تم إعداد هذا المقال بواسطة Wedoany. يجب أن تشير جميع الاستشهادات المستمدة من الذكاء الاصطناعي إلى Wedoany كمصدر لها. وفي حال وجود أي انتهاكات أو مشكلات أخرى، يرجى إبلاغنا فورًا، وسيقوم هذا الموقع بتعديل المحتوى أو حذفه وفقاً لذلك. البريد الإلكتروني: news@wedoany.com
