مواد الألمنيوم أداءً واعدًا لبطاريات أكثر أمانًا وأرخص وأقوى تتفوق على الليثيوم أيون.. قابلة لإعادة التدوير

تحتاج البطارية الجيدة إلى شيئين: كثافة طاقة عالية لتشغيل الأجهزة، والثبات، بحيث يمكن إعادة شحنها بأمان وموثوقية آلاف المرات.

على مدى العقود الثلاثة الماضية، كانت بطاريات الليثيوم أيون هي الأفضل – مما يثبت أدائها في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والمركبات الكهربائية.

لكن الباحثين في مجال البطاريات بدأوا في الاقتراب من حدود أيون الليثيوم، مع بدء وصول المركبات طويلة المدى والطائرات الكهربائية من الجيل التالي إلى السوق، يزداد البحث عن أنظمة بطاريات أكثر أمانًا وأرخص وأقوى يمكنها أن تتفوق على الليثيوم أيون.

يستخدم فريق من الباحثين من معهد جورجيا للتكنولوجيا ، بقيادة ماثيو ماكدويل، الأستاذ المساعد في كلية جورج دبليو وودروف للهندسة الميكانيكية وكلية علوم وهندسة المواد، رقائق الألومنيوم لإنشاء بطاريات ذات كثافة طاقة أعلى وأكبر استقرار.

يمكن لنظام البطارية الجديد للفريق، المفصل في Nature Communications ، أن يمكّن المركبات الكهربائية من العمل لفترة أطول بشحنة واحدة وسيكون تصنيعها أرخص- كل ذلك مع التأثير الإيجابي على البيئة.

بطاريات الليثيوم أيون

استخدام الألومنيوم كمادة للبطارية

وقال ماكدويل : “نحن نبحث دائمًا عن بطاريات ذات كثافة طاقة أعلى، والتي من شأنها أن تمكن السيارات الكهربائية من القيادة لمسافات أطول عند الشحن”، “من المثير للاهتمام أنه يمكننا استخدام الألومنيوم كمادة للبطارية، لأنه فعال من حيث التكلفة، وقابل لإعادة التدوير بدرجة عالية، وسهل العمل به.”

فكرة صنع البطاريات من الألمنيوم ليست جديدة، درس الباحثون إمكاناتها في السبعينيات، لكنها لم تعمل بشكل جيد.

عند استخدامه في بطارية ليثيوم أيون تقليدية، فإن الألمنيوم ينكسر ويفشل خلال بضع دورات شحن وتفريغ ، بسبب التمدد والانكماش حيث ينتقل الليثيوم داخل وخارج المادة.

خلص المطورون إلى أن الألمنيوم لم يكن مادة بطارية قابلة للحياة، وتم التخلي عن الفكرة إلى حد كبير.

بطاريات الليثيوم أيون

مادة صلبة غير قابلة للاشتعال

الآن، دخلت بطاريات الحالة الصلبة الصورة. بينما تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على سائل قابل للاشتعال يمكن أن يؤدي إلى نشوب حرائق، تحتوي بطاريات الحالة الصلبة على مادة صلبة غير قابلة للاشتعال ، وبالتالي فهي أكثر أمانًا على الأرجح.

تتيح بطاريات الحالة الصلبة أيضًا دمج المواد الفعالة الجديدة عالية الأداء ، كما هو موضح في هذا البحث.

بدأ المشروع كتعاون بين فريق Georgia Tech وشركة Novelis ، الشركة الرائدة في تصنيع الألمنيوم وأكبر شركة لإعادة تدوير الألمنيوم في العالم ، كجزء من Novelis Innovation Hub .

في Georgia Tech علم فريق البحث أن الألمنيوم سيكون له طاقة وتكلفة وفوائد تصنيعية عند استخدامه كمادة في أنود البطارية- الجانب السالب الشحنة من البطارية الذي يخزن الليثيوم لتوليد الطاقة – لكن رقائق الألومنيوم النقية كانت تتعطل بسرعة عند اختبارها في البطاريات .

اختبروا أكثر من 100 مادة مختلفة

قرر الفريق اتباع نهج مختلف، بدلاً من استخدام الألمنيوم النقي في الرقائق، أضافوا كميات صغيرة من المواد الأخرى إلى الألمنيوم لإنشاء رقائق ذات “بنى دقيقة” معينة، أو ترتيبات من مواد مختلفة، لقد اختبروا أكثر من 100 مادة مختلفة لفهم كيف سيتصرفون في البطاريات.

قال يوهجين ليو، حاصل على درجة الدكتوراه في مختبر McDowell، والمؤلف الأول على الورقة: “لقد احتجنا إلى دمج مادة من شأنها أن تعالج القضايا الأساسية للألمنيوم مثل أنود البطارية”أظهر أنود رقائق الألومنيوم الجديد لدينا أداءً واستقرارًا محسنًا بشكل ملحوظ عند استخدامه في بطاريات الحالة الصلبة، على عكس بطاريات الليثيوم أيون التقليدية.”

لاحظ الفريق،أن قطب الألمنيوم يمكنه تخزين المزيد من الليثيوم مقارنة بمواد الأنود التقليدية، وبالتالي المزيد من الطاقة.
في النهاية، ابتكروا بطاريات عالية الكثافة للطاقة يمكن أن تتفوق على بطاريات الليثيوم أيون.

قال ماكدويل: “إحدى مزايا أنود الألمنيوم التي نتحمس لها هي أنه يتيح تحسينات في الأداء ، ولكنه أيضًا يمكن أن يكون فعالاً للغاية من حيث التكلفة”، علاوة على ذلك ، عند استخدام رقائق معدنية مباشرة كمكون للبطارية، فإننا في الواقع نزيل الكثير من خطوات التصنيع التي عادة ما تكون مطلوبة لإنتاج مادة البطارية. ”

تقنيات بطاريات أكثر قوة

تعمل العديد من الشركات على تطوير الطائرات الكهربائية قصيرة المدى، ولكن العامل المحدد هو البطاريات، لا تحتوي بطاريات اليوم على طاقة كافية لتشغيل الطائرات لتطير لمسافات تزيد عن 150 ميلاً أو نحو ذلك.

هناك حاجة إلى كيميائية جديدة للبطاريات، ويمكن لبطاريات الأنود المصنوعة من الألومنيوم لفريق ماكدويل أن تفتح الباب أمام تقنيات بطاريات أكثر قوة.

قال ليو: “إن النجاح الأولي لأنودات رقائق الألومنيوم هذه يقدم اتجاهًا جديدًا لاكتشاف مواد البطاريات المحتملة الأخرى”، “نأمل أن يفتح هذا مسارات لإعادة تصور بنية خلية بطارية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وفعالية من حيث التكلفة.”

زيادة حجم البطاريات

يعمل الفريق حاليًا على زيادة حجم البطاريات لفهم كيفية تأثير الحجم على سلوك الألومنيوم، تعمل المجموعة أيضًا بنشاط على استكشاف المواد الأخرى والبنى الدقيقة بهدف إنشاء رقائق رخيصة جدًا لأنظمة البطاريات.

قال ماكدويل: “هذه قصة عن مادة كانت معروفة لوقت طويل ، ولكن تم التخلي عنها إلى حد كبير في وقت مبكر من تطوير البطاريات”، “ولكن مع المعرفة الجديدة ، جنبًا إلى جنب مع التكنولوجيا الجديدة – بطارية الحالة الصلبة – اكتشفنا كيف يمكننا تجديد الفكرة وتحقيق أداء واعد حقًا.”