بطارية نانوية الأسلاك

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

تستخدم بطارية الأسلاك النانوية أسلاكًا نانوية لزيادة مساحة سطح أحد قطبيها أو كليهما ، مما يُحسّن سعة البطارية. وقد أُعلن عن بعض التصاميم (السيليكون، والجرمانيوم، وأكاسيد المعادن الانتقالية )، وهي عبارة عن أنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم أيون ، إلا أنه لا يوجد أي منها متوفر تجاريًا. وتستبدل جميع هذه المفاهيم قطب الأنود الجرافيتي التقليدي ، ويمكنها تحسين أداء البطارية. ولكل نوع من أنواع بطاريات الأسلاك النانوية مزايا وعيوب خاصة به، ولكن التحدي المشترك بينها جميعًا هو هشاشتها. [ 1 ]

السيليكون

يُعدّ السيليكون مادةً جذابةً لتطبيقات الأنودات في بطاريات الليثيوم نظرًا لجهد تفريغه العالي وسعته الشحنية النظرية العالية (أعلى بعشر مرات من سعة أنودات الجرافيت التقليدية المستخدمة حاليًا في الصناعة). يمكن للأسلاك النانوية تحسين هذه الخصائص من خلال زيادة مساحة السطح المتاحة للتلامس مع الإلكتروليت، مما يزيد من كثافة طاقة الأنود ويسمح بشحن وتفريغ أسرع. مع ذلك، يتمدد السيليكون بنسبة تصل إلى 400% عند تفاعله مع الليثيوم أثناء الشحن، مما يؤدي إلى تحلله. يحدث هذا التمدد الحجمي بشكل غير متجانس ، نتيجةً لانتشار الشقوق مباشرةً بعد جبهة الليثيوم المتحركة. تُؤدي هذه الشقوق إلى تفتت المادة وفقدان كبير في السعة يُلاحظ خلال الدورات القليلة الأولى. [ 2 ]

قد تُساعد الأسلاك النانوية في الحدّ من التمدد الحجمي. يسمح قطرها الصغير باستيعاب أفضل للتغيرات الحجمية أثناء عملية الليثيوم. ومن مزاياها الأخرى أنها، لكونها متصلة جميعها بجامع التيار، تُشكّل مسارات مباشرة لنقل الشحنات. في المقابل، في الأقطاب الكهربائية القائمة على الجسيمات، تُجبر الشحنات على الانتقال من جسيم إلى آخر، وهي عملية أقل كفاءة. تتمتع أسلاك السيليكون النانوية بسعة نظرية تبلغ حوالي 4200 مللي أمبير/غرام ، وهي أكبر من سعة أنواع السيليكون الأخرى وأكبر بكثير من سعة الجرافيت (372 مللي أمبير/غرام ) . [ 3 ]

على غرار مصاعد الجرافيت، تُشكّل مصاعد السيليكون طبقات تخميل (أطوار بينية صلبة-إلكتروليتية) على أسطحها خلال دورة الشحن الأولى. ويمكن تحسين استقرار هذه الطبقات بتغطية أسلاك السيليكون النانوية بالكربون. [ 4 ]

يمكن أن يؤدي تطعيم الأنود النانوي بالشوائب، مثل الفوسفور أو البورون، إلى تحسين الأداء عن طريق زيادة الموصلية. [ 5 ]

الجرمانيوم

زُعم أن قطبًا سالبًا مصنوعًا من أسلاك نانوية من الجرمانيوم قادر على زيادة كثافة الطاقة ومتانة دورات شحن وتفريغ بطاريات الليثيوم أيون. وكما هو الحال مع السيليكون، يتمتع الجرمانيوم بسعة نظرية عالية (1600 مللي أمبير/غرام)، ويتمدد أثناء الشحن، ويتفكك بعد عدد قليل من الدورات. [ 6 ] [ 7 ] ومع ذلك، فإن الجرمانيوم أكثر فعالية بـ 400 مرة من السيليكون في إدخال الليثيوم بين طبقاته، مما يجعله مادة جذابة للقطب السالب. وقد زُعم أن الأقطاب السالبة تحتفظ بسعات تبلغ 900 مللي أمبير/غرام بعد 1100 دورة، حتى عند معدلات تفريغ تتراوح بين 20 و100 درجة مئوية. يُعزى هذا الأداء إلى إعادة هيكلة الأسلاك النانوية التي تحدث خلال أول 100 دورة لتشكيل شبكة متينة ميكانيكيًا ومسامية باستمرار. وبمجرد تشكّلها، يفقد القطب السالب المعاد هيكلته 0.01% فقط من سعته لكل دورة بعد ذلك. [ 8 ] تُشكّل المادة بنية مستقرة بعد هذه الدورات الأولية قادرة على مقاومة التفتت. في عام 2014، طور الباحثون طريقة بسيطة لإنتاج أسلاك نانوية من الجرمانيوم من محلول مائي . [ 9 ]

أكاسيد المعادن الانتقالية

تتمتع أكاسيد المعادن الانتقالية ، مثل Cr₂O₃ و Fe₂O₃ و MnO₂ و Co₃O₄ و PbO₂ ، بمزايا عديدة كمواد قطب موجب مقارنةً بمواد الخلايا التقليدية في بطاريات الليثيوم أيون وأنظمة البطاريات الأخرى. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] فبعضها يتميز بسعة طاقة نظرية عالية، وهو متوفر بكثرة في الطبيعة، وغير سام، وصديق للبيئة. ومع ظهور مفهوم قطب البطارية النانوي، بدأ الباحثون التجريبيون بدراسة إمكانية استخدام الأسلاك النانوية القائمة على أكاسيد المعادن الانتقالية كمواد للأقطاب. ويناقش القسم الفرعي التالي بعض الدراسات الحديثة في هذا المجال.

أنود أكسيد الرصاص

تُعدّ بطارية الرصاص الحمضية أقدم أنواع خلايا البطاريات القابلة لإعادة الشحن. ورغم أن المادة الخام ( ثاني أكسيد الرصاص ) اللازمة لتصنيعها متوفرة ورخيصة نسبيًا، إلا أن سعتها النوعية منخفضة نسبيًا . [ 13 ] كما أن تأثير زيادة كثافة المعجون (تأثير التمدد الحجمي) أثناء دورة التشغيل يعيق التدفق الفعال للإلكتروليت. هذه المشاكل حدّت من قدرة الخلية على إنجاز بعض المهام التي تتطلب طاقة عالية.

في عام ٢٠١٤، نجح باحثون تجريبيون في الحصول على أسلاك نانوية من ثاني أكسيد الرصاص (PbO₂ ) باستخدام تقنية الترسيب الكهربائي البسيطة القائمة على القوالب . كما تم تقييم أداء هذه الأسلاك النانوية كقطب موجب في بطاريات الرصاص الحمضية. وبفضل زيادة مساحة سطحها بشكل كبير، تمكنت هذه الخلية من توفير سعة ثابتة تقريبًا تبلغ حوالي ١٩٠ مللي أمبير/غرام حتى بعد ١٠٠٠ دورة شحن وتفريغ. [ ١٤ ] [ ١٥ ] أظهرت هذه النتيجة أن ثاني أكسيد الرصاص النانوي هذا يُعد بديلاً واعدًا لقطب الرصاص الحمضي التقليدي.

أكسيد المنغنيز

لطالما كان ثاني أكسيد المنغنيز (MnO₂ ) خيارًا ممتازًا لمواد الأقطاب الكهربائية نظرًا لسعته العالية للطاقة، وعدم سميته، وفعاليته من حيث التكلفة. مع ذلك، فإن إدخال أيونات الليثيوم في البنية البلورية أثناء دورة الشحن/التفريغ يُسبب تمددًا حجميًا كبيرًا. ولمواجهة هذا التأثير أثناء دورة التشغيل، اقترح العلماء مؤخرًا فكرة إنتاج أسلاك نانوية من MnO₂ غنية بالليثيوم بنسبة قياس العناصر Li₂MnO₃ كمواد أنود لبطاريات الليثيوم أيون . تُمكّن هذه المواد الجديدة المقترحة خلية البطارية من الوصول إلى سعة طاقة تبلغ 1279 مللي أمبير/ غرام عند كثافة تيار 500 مللي أمبير حتى بعد 500 دورة. [ 16 ] هذا الأداء أعلى بكثير من أداء خلايا الأنود المصنوعة من MnO₂ النقي أو خلايا الأنود المصنوعة من أسلاك نانوية من MnO₂ .

أكاسيد المعادن الانتقالية ذات البنية غير المتجانسة

قد يوفر الوصل غير المتجانس لأكاسيد المعادن الانتقالية المختلفة في بعض الأحيان إمكانية الحصول على أداء أكثر شمولية لبطاريات الليثيوم أيون.

في عام 2013، نجح باحثون في تصنيع بنية نانوية غير متجانسة متفرعة من Co₃O₄ / Fe₂O₃ باستخدام طريقة التخليق الحراري المائي . يمكن استخدام هذه الوصلة غير المتجانسة كقطب موجب بديل لخلايا بطاريات الليثيوم أيون. أثناء التشغيل، يُحسّن Co₃O₄ نقل الأيونات بكفاءة أكبر، بينما يُعزز Fe₂O₃ السعة النظرية للخلية بزيادة مساحة السطح. وقد سُجّلت سعة عكسية عالية بلغت 980 مللي أمبير / غرام . [ 17 ]

تم استكشاف إمكانية تصنيع مصفوفات أسلاك نانوية غير متجانسة من ZnCo₂O₄ / NiO كقطب موجب في بعض الدراسات. [ 18 ] ومع ذلك، لا تزال كفاءة هذه المادة كقطب موجب قيد التقييم.

ذهب

في عام 2016، أعلن باحثون في جامعة كاليفورنيا، إرفاين، عن ابتكار مادة أسلاك نانوية قادرة على تحمل أكثر من 200,000 دورة شحن دون أي انقطاع في الأسلاك النانوية. قد تُفضي هذه التقنية إلى بطاريات لا تحتاج إلى استبدال في معظم التطبيقات. تُقوّى الأسلاك النانوية الذهبية بغلاف من ثاني أكسيد المنغنيز مُغلّف بمادة إلكتروليت هلامية شبيهة بالبلكسيغلاس . يتميز هذا المزيج بالموثوقية ومقاومة التلف. بعد تشغيل قطب اختباري حوالي 200,000 مرة، لم يُلاحظ أي فقدان في السعة أو الطاقة، ولم يحدث أي تكسر في الأسلاك النانوية. [ 19 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بورزاك، كاثرين (2 مايو 2016). "بطارية نانوية لا تنطفئ" . أخبار الهندسة الكيميائية .
  2. ^ ليو، XH؛ تشنغ، ه.؛ تشونغ، L.؛ هوانغ، S.؛ كاركي، ك. تشانغ، إل كيو؛ ليو، Y.؛ كوشيما، أ.؛ ليانغ، وت. وانغ، جي دبليو. تشو، ج.ه. إبستين، إي. دايه، SA؛ بيكرو، ST؛ تشو، T.؛ لي، J.؛ سوليفان، جي بي؛ كامينغز، J.؛ وانغ، C .؛ ماو، SX؛ أيها ZZ. تشانغ، S.؛ هوانغ، جي واي (2011). "تورم متباين الخواص وكسر في أسلاك السيليكون النانوية أثناء عملية الليثيوم" . رسائل النانو . 11 (8): 3312– 3318. بيب كود : 2011NanoL..11.3312L . دوى : 10.1021/nl201684d . PMID 21707052 . 
  3. ↑ شاو، غاوفنغ؛ هاناور، دوريان أ.هـ؛ وانغ، جون؛ كوبر، ديلف؛ لي، شوانغ؛ وانغ، شيفان؛ شين، شياودونغ؛ بخيت، ماجد ف.؛ غورلو، ألكسندر (2020). "سيليكون-أكسيد-كربون مشتق من البوليمر مدمج مع هلام هوائي من الجرافين كقطب موجب عالي الاستقرار لبطارية أيونات الليثيوم" . مجلة ACS للمواد والتطبيقات . 12 (41): 46045-46056 . arXiv : 2104.06759 . doi : 10.1021/acsami.0c12376 . PMID : 32970402. S2CID : 221915420 .  
  4. ↑ بارك، إم إتش؛ كيم، إم جي؛ جو، جيه؛ كيم، كيه؛ كيم، جيه؛ آهن، إس؛ كوي، واي؛ تشو، جيه (2009). "أقطاب بطاريات أنابيب السيليكون النانوية" . رسائل نانو . 9 (11): 3844-3847 . رمز Bibcode : 2009NanoL...9.3844P . doi : 10.1021/nl902058c . PMID 19746961 . 
  5. ↑ تشاكرباني، فيديا (2012). "مصعد أسلاك السيليكون النانوية: تحسين عمر البطارية مع دورات محدودة السعة". مجلة مصادر الطاقة . 205 : 433-438 . doi : 10.1016/j.jpowsour.2012.01.061 .
  6. ↑ الاثنين، 2014/10/02 - 1:09 مساءً (2014-02-10). "باحثون يحققون إنجازًا في تكنولوجيا البطاريات" . Rdmag.com . تاريخ الاسترجاع: 27-04-2014 .{{cite web}}: صيانة CS1: الأسماء الرقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )
  7. ↑ تشان، سي كيه؛ تشانغ، إكس إف؛ تسوي، واي. (2008). "أقطاب بطاريات أيونات الليثيوم عالية السعة باستخدام أسلاك نانوية من الجرمانيوم". رسائل نانو . 8 (1): 307-309 . رمز Bibcode : 2008NanoL...8..307C . doi : 10.1021/nl0727157 . PMID 18095738 . 
  8. ↑ كينيدي، ت.؛ مولان، إ.؛ جيني، هـ.؛ أوسياك، م.؛ أودواير، س.؛ رايان، ك.م. (2014). "أقطاب بطاريات الليثيوم أيون عالية الأداء مصنوعة من أسلاك نانوية من الجرمانيوم، تدوم لأكثر من 1000 دورة شحن وتفريغ بفضل التكوين الموضعي لشبكة مسامية متصلة". رسائل نانو . 14 (2): 716-723 . Bibcode : 2014NanoL..14..716K . doi : 10.1021/nl403979s . hdl : 10344/7364 . PMID 24417719 . 
  9. ↑ عملية أبسط لإنماء أسلاك نانوية من الجرمانيوم قد تُحسّن بطاريات الليثيوم أيون ، جامعة ميسوري للعلوم والتكنولوجيا، 28 أغسطس 2014، أندرو كاريغا
  10. نام ، كي تاي؛ كيم، دونغ وان؛ يو، بيل جيه؛ تشيانغ، تشونغ يي؛ ميثونغ، نونغلاك؛ هاموند، بولا تي؛ تشيانغ، ييت مينغ؛ بيلشر، أنجيلا إم (2006). "تخليق وتجميع الأسلاك النانوية لأقطاب بطاريات أيونات الليثيوم باستخدام الفيروسات". مجلة ساينس . 312 (5775): 885-888 . Bibcode : 2006Sci...312..885N . CiteSeerX 10.1.1.395.4344 . doi : 10.1126/science.1122716 . PMID 16601154. S2CID 5105315 .   
  11. ↑ ريدي، إم في؛ يو، تينغ؛ سو، تشورنغ-هاور؛ شين، زي شيانغ؛ ليم، تشوي تيك؛ سوبا راو، جي في؛ تشوداري، بي في آر (2007). "رقائق نانوية من α-Fe2O3 كمادة أنود لبطاريات أيونات الليثيوم" . مواد وظيفية متقدمة . 17 (15): 2792-2799 . doi : 10.1002/adfm.200601186 . S2CID 136738071 . 
  12. ↑ دوبون، لويك؛ لارويل، ستيفان؛ غروجون، سيلفي؛ ديكنسون، سي؛ تشو، دبليو؛ تاراسكون، جيه إم (2008). "أكسيد الكروم المسامي كقطب سالب في بطاريات الليثيوم: دراسة بالمجهر الإلكتروني النافذ لتأثير البنية على تكوين الطبقة البوليمرية". مجلة مصادر الطاقة . 175 (1): 502-509 . Bibcode : 2008JPS...175..502D . doi : 10.1016/j.jpowsour.2007.09.084 .
  13. ↑ بافلوف، ديتشكو (2011). بطاريات الرصاص الحمضية: العلم والتكنولوجيا: العلم والتكنولوجيا . إلسيفير.
  14. ↑ مونكادا، أليساندرا؛ بيازا، سالفاتوري؛ سونسيري، كارميلو؛ إنغوانتا، روزاليندا (2015). "التحسينات الحديثة في أقطاب أسلاك نانوية من ثاني أكسيد الرصاص لبطاريات الرصاص الحمضية". مجلة مصادر الطاقة . 275 : 181-188 . Bibcode : 2015JPS...275..181M . doi : 10.1016/j.jpowsour.2014.10.189 .
  15. ↑ مونكادا، أ؛ ميستريتا، م.س؛ رانداتزو، س؛ بيازا، س؛ سونسيري، س؛ إنغوانتا، ر (2014). "أداء عالٍ لأقطاب أسلاك نانوية من ثاني أكسيد الرصاص لبطاريات الرصاص الحمضية". مجلة مصادر الطاقة . 256 : 72-79 . Bibcode : 2014JPS...256...72M . doi : 10.1016/j.jpowsour.2014.01.050 .
  16. ↑ وو، شياومين؛ لي، هوان؛ فاي، هايلونغ؛ تشنغ، تشنغ؛ وي، مينغدنغ (2014). "تخليق سهل لأسلاك نانوية من Li2MnO3 لأقطاب بطاريات الليثيوم أيون". المجلة الجديدة للكيمياء . 38 (2): 584-587 . doi : 10.1039/c3nj00997a .
  17. ↑ وو، هاو؛ شو، مينغ؛ وانغ، يونغتشنغ؛ تشنغ، غينغفنغ (2013). "أسلاك نانوية متفرعة من Co3O4/Fe2O3 كأقطاب موجبة عالية السعة لبطاريات الليثيوم أيون". أبحاث النانو . 6 (3): 167-173 . doi : 10.1007/s12274-013-0292-z . S2CID 94870109 . 
  18. ^ صن، تشيبنغ؛ منظمة العفو الدولية، وي. ليو، جيلي؛ تشي، شياو يينغ؛ وانغ، يانلونغ؛ تشو، جيانهوي؛ تشانغ، هوا؛ يو تينغ (2014). “تصنيع سهل لمصفوفات أسلاك متناهية الصغر ZnCo2O4/NiO الأساسية/القشرية مع تحسين أداء بطارية ليثيوم أيون”. مقياس النانو . 6 (12): 6563–6568 . بيب كود : 2014نانوس...6.6563S . دوى : 10.1039/c4nr00533c . بميد 24796419 . S2CID 25616445 .  
  19. ↑ "الكيميائيون يبتكرون تقنية بطاريات ذات قدرة شحن فائقة" . phys.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 أبريل 2016 .