بطاريات نانوبول

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

بطاريات النانوبول هي نوع تجريبي من البطاريات، يتكون قطبها السالب أو الموجب من كرات نانوية الحجم، يمكن أن تتكون من مواد مختلفة مثل الكربون وفوسفات حديد الليثيوم. تتميز البطاريات التي تستخدم تقنية النانو بقدرات أعلى من البطاريات التقليدية، وذلك بفضل مساحة سطحها المحسّنة بشكل كبير، مما يسمح بأداء كهربائي أفضل، مثل الشحن والتفريغ السريع.

في عام ٢٠٠٩، تمكن باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من شحن بطارية نانوية بسيطة من فوسفات الحديد الليثيوم في غضون ١٠ ثوانٍ باستخدام هذه التقنية. من الناحية النظرية، سيسمح هذا بشحن سريع للأجهزة الإلكترونية الصغيرة، بينما ستظل البطاريات الأكبر حجمًا محدودة بتيار الكهرباء الرئيسي . [ ١ ] [ ٢ ]

كرات الكربون النانوية

بناء

قبل تصنيع كرات الكربون النانوية، يجب تشكيل قضيب كربوني. يُحضّر هذا القضيب بوجود الأسيتيلين ومسحوق الكوك (نوع من الوقود قليل الشوائب وغني بالكربون)، ويُشكّل باستخدام تقنية التفريغ القوسي. تعتمد هذه التقنية على قطبين كهربائيين من الجرافيت عالي النقاوة ، أحدهما أنود والآخر كاثود، حيث يُبخران بتمرير تيار مستمر. بعد التفريغ القوسي لفترة محددة، يتشكل قضيب كربوني عند الكاثود. ثم يُوضع القضيب الكربوني في مفاعل تفريغ قوسي يعمل بالتيار المستمر. يعمل القضيب الكربوني كأنود، بينما يعمل قضيب الجرافيت عالي النقاوة ككاثود. يُمرر تيار كهربائي مُعدّل بين 70 و90 أمبير عبر القضيبين في وسط من الأسيتيلين عند ضغط يتراوح بين 0.05 و0.06 ميجا باسكال. تتشكل كرات الكربون النانوية على القضيب الكربوني أثناء عملية التبخير القوسي. ثم فُحصت كرات الكربون النانوية باستخدام مجهر المسح الإلكتروني ذي الانبعاث الميداني (FE-SEM ) ومجهر المسح الإلكتروني النافذ (STEM ) المزودين بتقنية تشتت طاقة الأشعة السينية عند جهد 200 كيلوفولت، بالإضافة إلى حيود الأشعة السينية، ومطيافية رامان . كانت معظم كرات الكربون النانوية المتكونة متلبدة (كتلة صلبة من المادة تشكلت بفعل الحرارة و/أو الضغط). كما تم الكشف عن كميات ضئيلة من الكرات النانوية المفردة، بالإضافة إلى بعض المواد النانوية الشبيهة بالقطن. [ 1 ]   

نتائج

أظهرت الاختبارات التي أجرتها جامعة آنهوي للتكنولوجيا أن كرات الكربون النانوية داخل قطب الخلية تتمتع بسعة عكسية عالية ومعدل احتفاظ بالسعة يصل إلى 74%. وهذا يعني أن البطارية يمكن أن تُفرغ شحنتها بسرعة كبيرة، وأن ما يقرب من ثلاثة أرباع طاقتها الإجمالية متاحة في ظل الظروف المناسبة. كما أظهرت الاختبارات التي أجراها معهد المواد والتكنولوجيا بجامعة داليان البحرية أن كرات الكربون النانوية يمكن استخدامها لزيادة إنتاج الطاقة من مواد أخرى مثل السيليكون. [ 2 ] كما أن تغيير التركيب الجزيئي لكرات السيليكون والكربون النانوية يمكن أن يؤدي إلى زيادة سعات الشحن والتفريغ، وإطالة عمر دورات الشحن والتفريغ (الفترة الزمنية قبل الحاجة إلى استبدال البطارية)، وتحسين أداء معدل الشحن والتفريغ. [ 3 ]

كرات نانوية من فوسفات الحديد الليثيوم

بناء كرات نانوية من فوسفات الحديد الليثيوم

مثل الكربون، يُعد الليثيوم موصلاً جيداً للطاقة، ويُستخدم بالفعل في بطاريات الليثيوم أيون التجارية. يتميز الليثيوم بكونه موصلاً جيداً للطاقة لأنه يسمح للأيونات بالانتقال بسرعة أكبر من العناصر الأخرى، كما أنه قادر على الاحتفاظ بتلك الطاقة لفترة أطول. وقد أظهرت الأبحاث أن تغليف جسيم الفوسفات بطبقة من فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO₄ ) يُتيح معدلاً أسرع لانتقال الأيونات. تم تحضير فوسفات حديد الليثيوم عن طريق تفاعل الحالة الصلبة باستخدام كربونات الليثيوم ( Li₂CO₃ )، وأكسالات الحديد الثنائي ( FeC₂O₄ ) ، وفوسفات ثنائي هيدروجين الأمونيوم ( NH₄H₂PO₄ ) . وُضعت المركبات بعد ذلك في الأسيتون وطُحنت في مطحنة كروية (باستخدام جهاز أسطواني خاص) قبل تسخينها عند 350 درجة مئوية لمدة 10 ساعات، ثم تُرِكت لتبرد إلى درجة حرارة الغرفة. بعد ذلك، تم ضغط الخليط تحت ضغط 10000 رطل، ثم سُخّن مرة أخرى عند 600 درجة مئوية لمدة 10 ساعات تحت غاز الأرجون. بلغ قطر كل كرة نانوية مُصنّعة حوالي 50 نانومترًا. في الظروف العادية، لا تستطيع الأنظمة الكهروكيميائية (مثل البطاريات) تحقيق معدلات طاقة عالية إلا باستخدام المكثفات الفائقة. تُحقق المكثفات الفائقة معدل طاقة عاليًا عن طريق تخزين الطاقة من خلال تفاعلات امتزاز سطحية للأنواع المشحونة على قطب كهربائي. ومع ذلك، ينتج عن ذلك كثافة طاقة منخفضة. بدلًا من مجرد تخزين الشحنة على سطح المادة، يُمكن لفوسفات حديد الليثيوم تحقيق معدل طاقة عالٍ وكثافة طاقة عالية عن طريق تخزين الشحنة في بنيته الداخلية (داخل الكرات النانوية الكربونية). هذا ممكن لأن فوسفات حديد الليثيوم يتمتع بحركية عالية لليثيوم في بنيته الداخلية. إن إنشاء طور سطحي موصل للأيونات بسرعة من خلال التحكم في نسبة المولات (التحكم في نسبة المولات للمتفاعلات والنواتج في المعادلة الجزيئية) مكّن من الحصول على معدل تفريغ فائق السرعة. [ 4 ]   

نتائج

أُجريت اختبارات معدل التفريغ على أقطاب كهربائية تحتوي على 30% من المادة الفعالة، و65% من الكربون، و5% من المادة الرابطة. جُمعت كرات نانوية من فوسفات حديد الليثيوم في صندوق قفازات مملوء بغاز الأرجون، واختُبرت باستخدام جهاز Maccor 2200 (نظام اختبار بطاريات). ضُبط جهاز Maccor 2000 على وضع الجلفانوستاتيكي (لقياس الأداء الكهروكيميائي)، واستُخدم معدن الليثيوم كقطب موجب، ومحلول إلكتروليتي غير مائي، وغشاء Celgard 2600 أو 2500 كفاصل. [ 4 ] كان معدل التفريغ النهائي سريعًا بما يكفي لشحن البطارية في غضون 10-20 ثانية تقريبًا، أي أسرع بحوالي 100 مرة من البطارية العادية.

الاستخدامات التجارية

بما أن هذه العملية تجريبية وتُجرى في بيئة معملية، لم تُطرح أي منتجات تجارية تستخدم هذا النوع من التكنولوجيا حتى الآن. وقد فكرت شركة تسلا موتورز في استخدام بطاريات النانوبول في سياراتها، إلا أن كمية الطاقة المطلوبة والكابل اللازم لنقلها سيجعلانها غير فعالة للغاية. وحتى الآن، لا تزال بطاريات النانوبول في المرحلة التجريبية. وإلى جانب استخدامها في السيارات والهواتف، يمكن استخدام بطاريات النانوبول أيضًا في الإغاثة في دول العالم الثالث والمناطق المنكوبة بالكوارث، حيث يسمح صغر حجمها ومعدلات تفريغها العالية بتوزيع الطاقة بسرعة وكفاءة.

مستقبل

تُظهر بطاريات النانوبول إمكانات كبيرة، لكن لا بد من إجراء تحسينات عليها قبل أن تُصبح خيارًا عمليًا لاستبدال البطاريات الحالية. تشمل الأبحاث المستقبلية محاولة دمج النانوبول في مهبط خلية الليثيوم أو دمجها مع مواد أخرى مثل السيليكون في البطاريات. وقد أظهرت الأبحاث التي أُجريت في كلية علوم وهندسة المواد بجامعة شرق الصين للعلوم والتكنولوجيا أن تغليف نانوبول السيليكون بطبقة من الجرافين/الكربون يحميها من التدهور السريع ويُحسّن الأداء الكهروميكانيكي العام للبطارية. [ 5 ] وللاستخدام التجاري في السيارات والمركبات الكهربائية الأخرى، يجب أن تكون بطارية النانوبول قادرة على شحن المركبة باستخدام طاقة أقل. فعلى الرغم من قدرة البطارية على التفريغ السريع، إلا أنها تتطلب طاقة كبيرة جدًا للشحن. ومن المشكلات الأخرى التي تحتاج إلى معالجة صعوبة احتفاظ البطارية بهذه الطاقة لفترة طويلة، حتى مع قدرتها على التفريغ السريع. لذا، فإن زيادة سعة تخزين الطاقة للبطارية سيجعلها أكثر كفاءة. قد تسمح هذه التقنية أيضًا بتصنيع بطاريات أصغر حجمًا نظرًا لأن مادة الكاثود تتدهور بمعدل أبطأ من البطاريات المنتجة حاليًا.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 هي، شياوجون؛ وو، فانغهوي؛ تشنغ، مينغدونغ (2007). "تخليق كرات الكربون النانوية وأدائها الكهروكيميائي". الماس والمواد ذات الصلة . 16 (2): 311-315 . Bibcode : 2007DRM....16..311H . doi : 10.1016/j.diamond.2006.06.011 .
  2. وين ، تشونغشنغ؛ لو، دونغ؛ لي، جونبنغ؛ فو، يينغتشينغ؛ وانغ، ليانغ؛ صن، جونكاي (2011). "تحسين أداء مصعد السيليكون باستخدام كرات الكربون النانوية الناتجة عن التفريغ القوسي". مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 158 (7): A809–13. doi : 10.1149/1.3590733 .
  3. ↑ كو، يو نا؛ بارك، سيونغ بين؛ كانغ، يون تشان (2014). "تصميم وتصنيع كريات مجهرية جديدة مركبة من أكسيد القصدير والكربون ذات بنية نانوية لتحقيق أداء تخزين سريع ومستقر لليثيوم". سمول . 10 (16): 3240-3245 . doi : 10.1002/smll.201400613 . PMID 24840117 . 
  4. 1 2 كانغ، بيونغوو؛ سيدر، جيربراند (2009). " مواد البطاريات للشحن والتفريغ فائق السرعة". مجلة نيتشر . 458 (7235): 190-193 . Bibcode : 2009Natur.458..190K . doi : 10.1038/nature07853 . PMID 19279634. S2CID 20592628 .  
  5. ↑ تشو، مين؛ كاي، تينغوي؛ بو، فان؛ تشين، هاو؛ وانغ، تشاو؛ تشانغ، هاييونغ؛ غوان، شييو (2013). "مواد هجينة من جسيمات السيليكون النانوية المغلفة بالجرافين/الكربون كمواد أنود عالية الأداء لبطاريات أيونات الليثيوم". مجلة ACS للمواد والتطبيقات . 5 (8): 3449-3455 . doi : 10.1021/am400521n . PMID 23527898 .