يزداد الطلب على بطاريات أسرع وأنحف وأرخص، نريد سيارات ودراجات كهربائية تقطع مسافات أطول، وأجهزة تدوم أكثر، وتشحن أسرع، وتكلف أقل.
حاليًا، تحدد بطاريات الليثيوم–أيون (LIBs) المعيار، لكن بعد عقود من البحث، تقترب هذه التكنولوجيا من حدودها، وكل تحسين جديد أصبح أصعب تحقيقه.
تُعد بطاريات الليثيوم، كبريت (Li–S) تكنولوجيا واعدة من الجيل التالي، فهي تخزن طاقة أكبر بكثير مقارنة ببطاريات الليثيوم–أيون من حيث الوزن، ومصنوعة من مواد رخيصة ومتاحة بسهولة.
لماذا بطاريات Li–S سميكة؟
رغم قدرتها على تخزين طاقة كبيرة، التحدي الرئيسي هو أن التفاعلات الكهروكيميائية داخل الكاثودات الكبريتية بطيئة، وحركة أيونات الليثيوم داخل البنية الدقيقة بطيئة.
للتعويض، غالبًا ما يجعل الباحثون الكاثودات أكثر مسامية لإتاحة مساحة للأيونات للحركة، لكن هذه المسامات الإضافية تزيد سماكة الأقطاب وتقلل الأداء الحجمي.
تحدد بطاريات الليثيوم–أيون المعيار الأعلى لكثافة الطاقة لكل وحدة حجم، لأنها تتسم بمواد أكثر كثافة، ويمكن ضغط أقطابها عبر عملية تُسمى التحجيم بالأسطوانات (Calendering)، شبيهة بفرد العجين بمدلك ثقيل.
لكن الكاثودات الكبريتية لا تستجيب جيدًا لهذه العملية؛ إذ يؤدي ضغط المسامات إلى تقليل حركة الأيونات وانخفاض الأداء.
نهج جديد
أظهرت دراسة حديثة نشرت في مجلة Small Structures أن الكاثودات الكبريتية يمكن أن تصبح أنحف دون التضحية بالأداء.
بدل الاعتماد على المسامات العشوائية، استخدم الباحثون الرابطة كقالب هيكلي لتشكيل قنوات دقيقة داخل الكاثود المضغوط، ما يسمح للأيونات بالتحرك بحرية مع ضغط المواد الأخرى بإحكام.
الابتكار: الرابطة المخفوقة
استُلهم الفريق من المرينغ، حيث يخفق البياض ليحتجز الهواء في شبكة دقيقة من الفقاعات.
تم مزج مشتق من السليلوز مع بروتين كروي لإنتاج رغوة حريرية تُعد قوية ومرنة ولزجة، مثالية للبطاريات.
بعد خلطها مع الكبريت والكربون وتطبيقها على الناقل، تركت فقاعات الرغوة قنوات أسطوانية دقيقة بعد التجفيف والتحجيم بالأسطوانات، حتى بعد الضغط الشديد، بقيت القنوات سليمة، ما سمح بحركة سريعة للأيونات.
تحسن الأداء
بعد تركيب هذه الكاثودات في بطاريات Li–S، تضاعف الأداء الحجمي مع الحفاظ على سرعات شحن وتفريغ عالية، حتى في 15 دقيقة فقط، سبب ذلك انخفاض التعرج (Tortuosity)، تتحرك الأيونات عبر مسارات واضحة ومباشرة بدل الطرق المتعرجة والمعقدة في الكاثودات التقليدية.
ما القادم؟
يوفر هذا النهج حلًا آمنًا، اقتصاديًا، وصديقًا للبيئة. يخطط الفريق لزيادة سرعات الشحن أكثر، مع نقل هذه الابتكارات من المختبر إلى التطبيقات العملية والتجارية.
