ابتكار روسي: بطاريات جديدة تتحدى الصقيع وتعمل بكفاءة عالية

شمسان بوست / متابعات:

طوّر مجموعة من العلماء الروس من معهد الكيمياء غير العضوية، بطاريات مبتكرة مقاومة للصقيع.

وانطلقت الفكرة من مدينة سيبيريا الروسية، حيث المناخ قاري بشكل حاد ويبلغ متوسط درجة الحرارة السنوية حوالي 0 درجة مئوية، فإن مسألة مقاومة البطارية للصقيع تكون دائمًا ذات صلة، في درجات الحرارة المنخفضة، تتدهور عمليات نقل الشحنة وتتباطأ حركتها، وذلك وفقا للمقال المنشور في مجلة ” scientificrussia”.

وباشر العلماء البحث عن مواد مناسبة لبطاريات الليثيوم أيون والصوديوم أيون، من أجل حل هذه المشكلة.

كانت مسألة تكلفة البطارية مهمة أيضًا، واليوم، تستخدم بطاريات الليثيوم أيون في كل مكان، من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى السيارات الكهربائية والحافلات الكهربائية. ومع ذلك، فإن إمدادات الليثيوم في الطبيعة محدودة، وهو أقل شيوعًا بكثير من الصوديوم.

وهذا يعني أن إنتاج بطاريات أيون الصوديوم أرخص، وفي هذه الحالة، مبدأ تشغيل البطاريات هو نفسه

مواد الكاثود (قطب كهربائي موجب الشحنة) عبارة عن مركبات أساسها الليثيوم والصوديوم مثل كوبالت الليثيوم، وإسبينيل منغنيز الليثيوم، وفيروفوسفات الليثيوم. مادة الأنود (قطب كهربائي سالب الشحنة) هي الغرافيت، وهو متوافق للغاية مع الليثيوم. تخترق أيونات الليثيوم البنية الموجودة بين طبقات الغرافيت بحرية، ويحدث ما يسمى بالإقحام، لكن الجرافيت غير مناسب لبطاريات أيونات الصوديوم/ ويحتوي الصوديوم على نصف قطر أيوني أكبر ولا يمكنه اختراق مساحة الطبقات البينية للجرافيت بشكل عكسي. ولذلك، بدأ العلماء في تطوير مواد الأنود الجديدة.

تقول آنا أندريفنا فورفولوميفا، الباحثة في معهد الكيمياء غير العضوية: “لقد حاولنا اختيار مادة من شأنها أن تظهر فعاليتها في كل من بطاريات الليثيوم وأيونات الصوديوم. وبما أننا قد قمنا بدراسة المواد الهجينة القائمة على ثاني كبريتيد الموليبدينوم في وقت سابق وأظهرنا نتائج جيدة في درجة حرارة الغرفة، فقد قررنا مواصلة العمل بها، ولكن مع بعض التعديلات”.

عند استخدام ثاني كبريتيد الموليبدينوم في بطاريات الليثيوم أيون، كانت القيم حوالي 1000 مللي أمبير/غرام، في بطاريات أيونات الصوديوم – حوالي 400. وقد طور العلماء تقنية تركيب يتم فيها تسخين المادة الأولية بسرعة إلى درجة حرارة معينة، والتي يجعل من الممكن الحصول على مادة ذات مسافة متزايدة بين الطبقات، وهذا يعني أن إقحام أيونات الليثيوم أو الصوديوم يصبح ممكنًا.

بالإضافة إلى ذلك، وجد أن تفاعل التحويل يحدث أيضًا في المادة قيد الدراسة مع تكوين الموليبدينوم وكبريتيد المعدن. ونتيجة لذلك، يتم إطلاق عنصر الكبريت، وتبدأ البطارية في العمل مثل بطارية الليثيوم والكبريت. ومع ذلك، فإن ذوبان متعددات الكبريتيدات المتوسطة في المنحل بالكهرباء (وسط نقل الأيونات) يؤدي إلى انخفاض في السعة.

ولمنع تدهور المادة، يدرس العلماء عدة خيارات. على سبيل المثال، إنشاء مادة تحتوي على مكون كربون تكون موصلة للكهرباء وتضمن التشغيل المستقر. طريقة أخرى هي خلق العيوب: الشواغر (غياب الذرة في موقع الشبكة البلورية) أو إدخال ذرات أخرى غير الموليبدينوم والكبريت.

واختبر العلماء المادة الجديدة في درجة حرارة الغرفة ثم خفضوها تدريجياً إلى -20 درجة مئوية. في هذه العملية، كان تكوين المنحل بالكهرباء متنوعا، مما جعل من الممكن الحفاظ على القدرة في البطاريات على مستوى عال إلى حد ما.

المصدر: شمسان بوست