ينتقل المجتمع الحالي بشكل جماعي من الوقود الأحفوري إلى الموارد المتجددة والبطاريات الكهربائية، على الرغم من الحاجة الملحة إلى التحول إلى أساليب أكثر مراعاة للبيئة، فالتحديات الأساسية المتعلقة بالكفاءة والاستدامة تشكل عقبة يجب التغلب عليها، على سبيل المثال، يتم إعاقة اعتماد السوق الشامل لبطاريات الليثيوم أيون (Li-ion)، لاستخدامها في السيارات الكهربائية بسبب سرعات الشحن البطيئة، الشحن السريع (حيث يتم شحن 80٪ من البطارية في غضون 10 دقائق) ، وكثافة الطاقة العالية، وعمر الدورة للميزات التي تبحث عنها صناعة السيارات في البطاريات.
من أجل تمكين قدرة الشحن السريع في البطاريات، حاول الباحثون منذ فترة طويلة تعزيز النقل الجماعي للكهارل ونقل الشحنة في الأقطاب الكهربائية، مع إجراء بحث مكثف على الأولى مقارنة بالأخيرة.
الآن، تعرض دراسة أجراها فريق من الباحثين، بقيادة البروفيسور نوريوشي ماتسومي من المعهد الياباني المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (JAIST) ، نهجًا جديدًا لتسهيل الشحن السريع باستخدام مادة رابطة تعزز إقحام Li-ion للمواد الفعالة.
تؤدي المادة الرابطة إلى تحسين انتشار أيونات Li المنحلة عبر واجهة المنحل بالكهرباء الصلبة (SEI) وداخل مادة الأنود وتنتج موصلية عالية ومقاومة منخفضة واستقرارًا جيدًا.
تم نشر النتائج التي توصلوا إليها في مجلة ACS Materials Letters، ويتألف الفريق من محاضر أول سابق راجاشكار بادام، وزميل أبحاث ما بعد الدكتوراه أنوشا برادهان، وطالب دراسات عليا سابق ريويا ميايري، وطالب دورة الدكتوراه نوريوكي تاكاموري من JAIST .
وقال ماتسومي وبادام المؤلف المراسل من JAIST، “استراتيجيتنا الحالية المتمثلة في استخدام بوليمر بورات الليثيوم المشتق حيويًا كموثق متعدد المحلول المائي لتعزيز نقل الشحنة داخل الأقطاب الكهربائية مثل أنودات الجرافيت تُظهر قدرة الشحن السريع”.
بينما تركز معظم الأبحاث حول البطاريات على تصميم المواد الفعالة ونقل الكتلة المحسن للكهارل، توفر الدراسة الحالية نهجًا مختلفًا من خلال تصميم مادة رابطة معينة تعزز إقحام أيونات الليثيوم للمادة الفعالة.
يوضح البروفيسور ماتسومي: “تشتمل مادة الرابطة على بورات الليثيوم القابلة للانفصال بدرجة كبيرة ، مما يحسن انتشار أيونات الليثيوم في مصفوفات الأنود، علاوة على ذلك يمكن أن يشكل هذا الرابط عضويًا عضويًا SEI ، والذي يُظهر مقاومة منخفضة جدًا للواجهة عند مقارنته بخلايا البطارية العادية”.
يتمثل دور مركبات البورون ( مثل البورون الرباعي في المادة الرابطة وSEI الغني بالبورون) في المساعدة في إزالة أيونات Li + عن طريق تقليل طاقة التنشيط لإذابة Li + من غلاف المذيب في SEI أيضًا، مع الانتشار العالي والمقاومة المنخفضة، يتم تقليل الجهد الزائد المرتبط بنقل الشحن في الواجهة.
يوضح الدكتور أنوشا برادهان من JAIST ، وهو المؤلف الأول للورقة البحثية: “هذا أحد العوامل المحددة المهمة للشحن السريع للغاية”.
بشكل عام ، عندما يتجاوز الشحن معدل الإقحام، يحدث طلاء Li على أقطاب الجرافيت، فهي عملية غير مرغوب فيها تؤدي إلى تقليل عمر البطارية والحد من قدرة الشحن السريع.
في هذه الدراسة، أدى الانتشار المحسن للأيونات عبر SEI وداخل الأقطاب الكهربائية إلى الحد من استقطاب تركيز أيونات Li + – مما يؤدي إلى عدم وجود طلاء على الجرافيت.
استراتيجية جديدة للبطاريات
في دراستهم، لم يقدم الباحثون فقط استراتيجية جديدة للبطاريات ذات السعر المرتفع للغاية والمقاومة البينية المنخفضة، ولكنهم استخدموا أيضًا البوليمر الحيوي المشتق من حمض الكافيين، وهو مركب عضوي نباتي، وهو مصدر مستدام وآمن بيئيًا للمواد.
تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون
وبالتالي، في حين أن سوق هذه البطاريات ينمو بشكل هائل، فإن استخدام الموارد الحيوية في هذه البطاريات سيقلل أيضًا من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
من خلال تسليط الضوء على القدرات الرئيسية للهيكل المستخدم في هذه الدراسة ، يضيف البروفيسور ماتسومي، “في الدراسات المستقبلية، يمكن أيضًا دمج الرابط الخاص بنا مع المواد الفعالة عالية السعر التي يمكن تحميلها لتمكين المزيد من التأثير التآزري في تحسين الأداء.”
يختتم البروفيسور ماتسومي، مع زيادة البحث في أداء البطارية، يمكن للمرء أن يتطلع قريبًا إلى خيارات أكثر مراعاة للبيئة في الطريقة التي نستخدم بها الطاقة، خاصة في قطاع النقل، “من خلال تقنية البطاريات عالية السعر التي يمكن تحميلها، سيستمتع الناس بالسيارات الكهربائية والأجهزة المحمولة المريحة.
نظرًا لأن استخدام الموارد المتجددة سيحافظ على توفر المنتجات لمدة فترة طويلة، بغض النظر عن توفر الموارد الأحفورية و المواقف الاجتماعية”.
