بطاريات الصوديوم هي أقرب خطوة إلى إنقاذك من حريق الهاتف المحمول

2019-07-24 14:13:55

تجتذب البطاريات الصلبة ، التي تستخدم المواد الصلبة بدلاً من السوائل لنقل أيونات عبر نواتها ، مليارات الاستثمار ، وذلك بفضل قدرتها على الحد من حرائق البطارية. الآن ، ابتكر الباحثون بطارية صوديوم صلبة ذات سعة قياسية لتخزين الشحن وقطب كهربائي مرن يسمح بإعادة الشحن مئات المرات. علاوة على ذلك ، فإن استخدام البطارية للصوديوم بدلاً من الليثيوم باهظ الثمن يمكن أن يمكّن من تطوير أجهزة تخزين طاقة أرخص لكل شيء من الإلكترونيات الصغيرة القابلة للارتداء إلى مزارع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

تقول ماريا هيلينا براجا ، باحثة البطاريات في جامعة تكساس في أوستن ، والتي لم تشارك في العمل ، إن مرونة القطب مبدعة بشكل خاص. وعلى الرغم من أن البطاريات الجديدة ليست جاهزة للتسويق ، إلا أن قدرتها على الإنتاج الرخيص تجعل من المحتمل أن يستمر العلماء في متابعتها.

اليوم ، بطاريات الليثيوم أيون هي ملك ، تشغل كل شيء من هواتفنا المحمولة إلى سياراتنا. ولكن في حالات نادرة ومثيرة ، تسبب اعتمادهم على الشوارد السائلة القابلة للاشتعال في اشتعال النيران. يستكشف الباحثون بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة لمعالجة هذه المشكلة. لكن هذا لا يعالج التكلفة. يتنبأ تحليل حديث أجرته وكالة بلومبرغ لتمويل الطاقة الجديدة بأن الطلب على الليثيوم سينفجر ، حيث سيزيد 1500 مرة بحلول عام 2030. وقد يؤدي ذلك إلى ارتفاع أسعار الليثيوم بسرعة كبيرة حيث يتم استخراج المعدن في عدد قليل من البلدان فقط.

الصوديوم ، وهو زميل معدن قلوي ، له سلوك كيميائي مشابه وأكثر وفرة بكثير ، لذلك قامت العديد من مجموعات البحث بصياغة بطاريات صوديوم صلبة على مدى العقد الماضي. لكن البطاريات ، التي تستخدم مواد صلبة غير قابلة للاشتعال لنقل أيونات الصوديوم من قطب إلى آخر ، تميل إلى الانهيار بسرعة. في أحد الإعدادات الشائعة ، أثناء التفريغ ، تتخلى ذرات الصوديوم عن إلكترون عند قطب واحد (الأنود) ، مما يخلق تيارًا كهربائيًا يُستخدم في العمل. ثم تتحرك أيونات الصوديوم الموجبة الشحنة الآن من خلال المنحل بالكهرباء المعتمد على الكبريت إلى القطب الثاني (المعروف بالكاثود) ، والذي يتكون من مركب أكسيد السيراميك. عندما تصل الأيونات ، يتضخم الكاثود في الحجم. بعد ذلك ، عند إعادة شحن البطارية ، يدفع الجهد الكهربائي المطبق أيونات الصوديوم خارج الكاثود ، مما يؤدي إلى تقلصها. تعود الأيونات إلى الأنود ، حيث تتحد مع الإلكترونات. لكن التورم والانكماش المتكرر يمكن أن يكسر السيراميك الهش ويؤدي إلى انفصاله عن المنحل بالكهرباء الصلبة ، مما يؤدي إلى مقتل البطارية.

لمعالجة هذه المشكلة ، أنشأ الباحثون بقيادة يان ياو ، عالم المواد في جامعة هيوستن في تكساس ، كاثودًا من مركب عضوي مرن يحتوي على الصوديوم والكربون والأكسجين ، كما أفادوا العام الماضي في Angewandte Chemie International Edition. سمحت مرونة المادة لها بالانتفاخ والانكماش من خلال 400 دورة شحن دون أن تتفكك وتفقد الاتصال بالكهرباء القائمة على الكبريت. وخزن الكاثود 495 واط / ساعة لكل كيلوغرام (واط / كجم) ، وهو أقل بقليل من معظم كاثودات أيونات الليثيوم التقليدية. لكن الباحثين لا يزال لديهم مشكلة. المنحل بالكهرباء الكبريتية هشة إلى حد ما. وقد مزق جهد التشغيل لخلايا الصوديوم المنحل بالكهرباء.

حل فريق ياو الآن هذه المشكلة عن طريق إعادة تصميم الكاثود. كما كان من قبل ، استخدم الباحثون مركب عضوي مرن. لكن كل جزيء من جزيئها الجديد ، اختصار PTO (للبيرين - 4 ، 5 ، 9 ، 10 - رباعون) ، يحتوي على ضعف عدد أيونات الصوديوم مثل الإصدار السابق ، مما يتيح للبطارية الاحتفاظ بـ 587 واط / كجم ، تقريبًا على قدم المساواة مع كاثودات ليثيوم أيون القياسية. وفي الوقت نفسه ، تسمح مرونة الكاثود للبطارية بإدارة 500 دورة شحن وتفريغ مع الاحتفاظ بنسبة 89٪ من إمكاناتها التخزينية ، بالقرب من أداء خلايا أيونات الليثيوم التقليدية. كمكافأة ، تعمل الخلية بجهد أقل ، مما يحافظ على الإلكتروليت سليمًا ، حسب تقارير الفريق اليوم في جول.

إذا تبع ذلك مزيد من التحسينات في المتانة ، فقد تجد البطارية غير القابلة للاشتعال العديد من الاستخدامات ذات الجهد المنخفض ، مثل تشغيل الجيل التالي من الأجهزة القابلة للارتداء. ولكن بالنسبة للتطبيقات المتعطشة للجهد ، مثل السيارات الكهربائية ، سيحتاج الباحثون إلى تعزيز معلمة أخرى: الفرق في الجهد الكهربائي (المقاس بالجهد) بين القطبين. يقول يان إن مجموعته تحاول تعديل إلكترودها العضوي - بإضافة الفلور ، من بين أشياء أخرى - للقيام بذلك بالضبط.