(أخبار نانوويرك): طور العلماء في معهد Bristol Composites استراتيجية جديدة لقوالب الجليد أحادية الاتجاه يمكن التحكم فيها التي يمكنها تكييف الأداء الكهرو-كيميائي للجيل التالي من بطاريات أيونات الليثيوم مع الاستدامة وتوافرها على نطاق واسع.
تم نشر الورقة في الدورية Advanced Functional Materials بعنوان ( (“قالب الثلج، آيروجيل الكربون المستدامة مع قنوات مصممة بشكل هرمي لبطاريات أيونات الصوديوم والبوتاسيوم “)*.
هناك طلب متزايد على مصادر لتخزين الطاقة تتميز بالاستدامة والتكلفة المنخفضة. ويرجع ذلك جزئيًا إلى الدافع نحو تطوير أنوع بطاريات متنقلة -في الغالب لتحل محل المحركات التي تعمل بالبنزين والديزل بالمركبات الكهربائية – ولكن أيضًا للأجهزة المحمولة باليد مثل الهواتف. تعتمد هذه التقنيات حاليًا إلى حد بعيد على بطاريات أيونات الليثيوم.
تحتوي البطاريات على قطبين كهربائيين وفاصل بينهما الذي يسمى “اﻹلكترولايت” التي تحمل شحنة كهربائية. هناك العديد من المشاكل المرتبطة باستخدام الليثيوم في هذه البطاريات، ومنها مشكلة تراكم المعدن داخل الأجهزة التي تشحنها مما قد يؤدي إلى انقطاع التيار وارتفاع درجة الحرارة.
بدائل الليثيوم مثل بطاريات الصوديوم والبوتاسيوم لم تقدما أداءً جيدًا سابقا من حيث تكلفة اﻹنتاج والقدرة على استخدامها مرات عديدة. يرجع هذا الأداء الرديء إلى الأحجام الكبيرة لأيونات الصوديوم والبوتاسيوم، وقدرتها على التحرك عبر أقطاب الكربون المسامية في البطاريات. مشكلة أخرى مرتبطة بهذه البطاريات هي أنها لا يمكن التخلص منها بسهولة في نهاية عمرها، حيث أنها يستخدم فيها مواد غير مستدامة. تكلفة المواد هي أيضا عاملا تجعل الحاجة إلى توفير مصادر أرخص للطاقة المخزنة.
بالإضافة إلى ذلك يتم استخراج الليثيوم في دول مثل شيلي وبوليفيا والأرجنتين. وهذا التعدين مدمر للغاية، وهناك سجل سيئ لحقوق الإنسان مرتبط بهذه الحقوق.
العمل في جامعة بريستول في معهد Bristol Composites ، المنشور في دورية Advanced Functional Materials، وبالتعاون مع إمبريال كوليدج طورت بعض مواد قطب الكربون الجديدة على أساس نظام قوالب الجليد. هذه المواد تسمى آيروجيل (الجل الهوائي) “aerogels”، حيث بلورات السليلوز النانوية تتشكل في بنية مسامية باستخدام بلورات الجليد التي تنمو وتتشذب وهذا يجعل القنوات فيها كبيرة داخل الهيكل حيث يمكنها حمل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم الكبيرة الحجم.
لقد ثبت أن أداء بطاريات أيونات الصوديوم والبوتاسيوم الجديدة هذه تتفوق على العديد من الأنظمة المماثلة الأخرى، ويستخدم السليلوز وهي مادة من المصادر المستدامة. المؤلف المراسل، ستيف إيشهورن وهو أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة بريستول والرائد على مستوى العالم في التقنيات القائمة على السليلوز، قال:
“لقد أذهلنا أداء هذه البطاريات الجديدة. هناك إمكانات كبيرة لمزيد من التطوير ولإنتاج أجهزة أكبر حجمًا باستخدام هذه التكنولوجيا “.
جينغ وانغ ، المؤلف الرئيسي وطالب الدكتوراه في Bristol Composites Institute, قال: “لقد قدمنا إستراتيجية جديدة لقوالب الجليد الذي يمكن التحكم فيها لتصنيع بلورات السليلوز النانوية / البولي إيثيلين منخفضة التكلفة المشتق من أكسيد آيروجيل الكربون مصممة بشكل هرمي وبقنوات المحاذية رأسياً كمواد القطب الكهربائي، التي يمكن استخدامها للضبط جيدا لمعدل مقدرة واستقرار دورات تدوير أيونات الصوديوم والبوتاسيوم.
“إنه من المفيد جدا الاستفادة من تجدد المادة الأولية وقابلية التوسع بتكلفة منخفضة نسبيًا في عملية التوليف الصديقة للبيئة، يمكن أن يوفر هذا العمل طريقًا جذابًا لتعزيز التطبيقات المستدامة للمركبات الكهربائية وشبكات تخزين الطاقة الواسعة النطاق في المستقبل القريب. “
وقال البروفيسور إيشهورن: “في ضوء هذه النتائج، نأمل الآن أن نتعاون مع المصنعين لتطوير هذه الاستراتيجية على نطاق صناعي ولاستكشاف ما إذا كان يمكن توسيع هذه التكنولوجيا الفريدة بسهولة إلى مجموعة متنوعة من أنظمة تخزين الطاقة الأخرى مثل بطاريات أيونات الزنك والكالسيوم والألمنيوم والمغنيسيوم، وبالتالي إثبات إمكاناته العالمية في أنظمة تخزين الطاقة من الجيل التالي”.
المصدر: جامعة بريستول – الترجمة: موقع نانو نادي
موقع الورقة البحثية: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202110862
