مع التنامي السريع لسوق السيارات الكهربائية حول العالم، يزداد البحث عن حلول لمشاكل البطاريات التي يحدد أداؤها عمل السيارة بالمجمل.
تعمل السيارات الكهربائية ببطاريات الليثيوم أيون التي تتكون من مصعد من النحاس ومهبط من الألومنيوم، ويُغطى كل من المصعد والمهبط بطبقة رقيقة جدا بسمك يقدر بأعشار المليمتر من خليط يحتوي على الليثيوم، ثم تغطى بطبقة أخرى لا يتجاوز سمكها ثخانة شعرة الرأس وتتكون من الخزف الخاص الذي يتحمل درجات حرارة حتى 700 درجة مئوية من دون أن يشتعل.
وقد طوّر فريق أبحاث جامعة بوهانغ للعلوم والتكنولوجيا (Pohang University of Science and Technology)، وتكتب اختصارا “POSTECH”، مادة قادرة على تسريع شحن بطارية الليثيوم أيون بحيث تصل إلى 90% خلال 6 دقائق، كما أنها تعطي عمرا أطول للسيارات الكهربائية.
وتشكل الفريق البحثي من علماء وباحثين من قسم علوم وهندسة المواد في جامعة بوهانغ بالتعاون مع علماء وباحثين من قسم علوم الطاقة بجامعة سونغ كيون كوان (Sungkyunkwan University) الكوريتين.
وقد أثبت الفريق لأول مرة أنه عند إجراء عملية الشحن والتفريغ للبطارية، فإنه يمكن إنتاج طاقة عالية عن طريق تقليل وقت الشحن والتفريغ بشكل كبير دون تقليل حجم الجسيمات الداخلة في تركيب مكونات البطارية نفسها.
وقد نشرت نتائج بحثهم في دورية إينرجي أند إنفايرومنتال ساينس (Energy & Environmental Science) يوم 17 سبتمبر/أيلول الماضي، ونشر البيان الصحفي عن الدراسة في موقع “فيز.أورغ” (Phys.org) يوم 23 أكتوبر/تشرين الأول الجاري.
وفقا للطرق التقليدية، يتم شحن بطايات الليثيوم أيون بالاعتماد على تقليص حجم الجسيمات التي تكوّن مواد القطب الكهربائي. إلا أن تقليل حجم الجسيمات له عيب هام، وهو أنه يؤدي إلى تقليل كثافة الطاقة الحجمية للبطاريات.
وهكذا أكد فريق البحث أنه إذا تم تشكيل مرحلة وسيطة في المرحلة الانتقالية أثناء الشحن والتفريغ، فإنه يمكن توليد طاقة عالية دون فقدان كثافة الطاقة العالية ومن دون تقليل حجم الجسيمات أيضا، مما يتيح تطوير بطاريات ليثيوم أيون مستدامة.
ويمكن توضيح الأمر كما يلي: في مرحلة فصل المواد التي تدخل في إنشاء وتطور مرحلة جديدة عند الشحن والتفريغ، تنشأ مرحلتان بحجمين مختلفين في كل جزيء، مما يؤدي إلى أعطال بنيوية في منطقة التداخل بين المرحلتين، وتمنع هذه الأعطال التفعيل السريع لمرحلة جديدة داخل الجزيء، تؤخر بدورها كلا من الشحن السريع والتفريغ السريع.
والآن باعتماد الطريقة الصناعية التي تم تطويرها من قبل فريق البحث، يستطيع المرء إضافة مرحلة وسيطة تعمل كبنية عازلة وتقلّص الفرق في الحجم بين المرحلتين داخل الجزيء بشكل كبير.
وعلاوة على ذلك، فقد تم تأكيد أنه بمقدور تلك المرحلة الوسيطة العازلة المطورة أن تساعد في إنشاء مرحلة جديدة داخل الجزيء وتعزيزها، مما يحسّن سرعة حقن وإزالة الليثيوم داخل الجزيء.
وبدوره أثبت هذا أن تشكيل المرحلة الوسيطة يستطيع زيادة سرعة الشحن والتفريغ للخلية بشكل دراماتيكي عن طريق خلق تفاعل كهربائي كيميائي متجانس داخل القطب الكهربائي المتشكل من عدد كبير من الجزيئات.
ونتيجة لذلك، فإن الأقطاب الكهربائية الخاصة ببطارية شوارد الليثيوم التي تم تصنيعها من قبل فريق البحث، تشحن ما يعادل 90% خلال 6 دقائق، وتستطيع تفريغ 54% خلال 18 ثانية، مما ينظر إليه على أنه علامة واعدة في تطوير بطاريات شوارد الليثيوم عالية الأداء.
