طوّر جون جوديناف وفريقه أولى خلايا البطاريات ذات الحالة الصلبة بالكامل والتي يمكن أن تؤدي إلى بطاريات قابلة لإعادة الشحن أكثر أمانًا وأسرع شحنًا وأطول عمرًا.
أوستن، تكساس — قام فريق من المهندسين بقيادة جون جوديناف البالغ من العمر 94 عامًا، الأستاذ في كلية كوكريل للهندسة بجامعة تكساس في أوستن والمخترع المشارك لبطارية الليثيوم أيون، بتطوير أول بطارية ليثيوم أيون. خلايا البطاريات ذات الحالة الصلبة بالكامل والتي يمكن أن تؤدي إلى بطاريات قابلة لإعادة الشحن أكثر أمانًا وأسرع شحنًا وأطول أمدًا للأجهزة المحمولة المحمولة والسيارات الكهربائية وتخزين الطاقة الثابتة.
أحدث إنجازات Goodenough، التي تم إنجازها بالتعاون مع ماريا هيلينا براغا، زميلة الأبحاث في مدرسة كوكريل، عبارة عن بطارية منخفضة التكلفة ذات الحالة الصلبة بالكامل وغير قابلة للاحتراق ولها دورة حياة طويلة (عمر البطارية) مع كثافة طاقة حجمية عالية وسريعة معدلات الشحن والتفريغ. يصف المهندسون تقنيتهم الجديدة في ورقة بحثية حديثة نُشرت في المجلة الطاقة وعلوم البيئة.
"تعد التكلفة والسلامة وكثافة الطاقة ومعدلات الشحن والتفريغ وعمر الدورة أمرًا بالغ الأهمية لاعتماد السيارات التي تعمل بالبطاريات على نطاق أوسع. وقال جودنوف: "نعتقد أن اكتشافنا يحل العديد من المشاكل المتأصلة في البطاريات الحالية".
أثبت الباحثون أن خلايا البطاريات الجديدة لديها ما لا يقل عن ثلاثة أضعاف كثافة الطاقة الموجودة في بطاريات الليثيوم أيون الحالية. تمنح كثافة الطاقة في خلية البطارية السيارة الكهربائية نطاق القيادة الخاص بها، وبالتالي فإن كثافة الطاقة الأعلى تعني أنه يمكن للسيارة قطع أميال أكثر بين الشحنات. تسمح تركيبة بطارية UT Austin أيضًا بعدد أكبر من دورات الشحن والتفريغ، وهو ما يعادل بطاريات تدوم لفترة أطول، بالإضافة إلى معدل إعادة شحن أسرع (دقائق بدلاً من ساعات).
تستخدم بطاريات الليثيوم أيون اليوم إلكتروليتات سائلة لنقل أيونات الليثيوم بين الأنود (الجانب السالب للبطارية) والكاثود (الجانب الموجب للبطارية). إذا تم شحن خلية البطارية بسرعة كبيرة جدًا، فقد يتسبب ذلك في تكوين التشعبات أو "الشعيرات المعدنية" وعبورها عبر الإلكتروليتات السائلة، مما يتسبب في حدوث ماس كهربائي يمكن أن يؤدي إلى انفجارات وحرائق. وبدلاً من الإلكتروليتات السائلة، يعتمد الباحثون على الإلكتروليتات الزجاجية التي تمكن من استخدام أنود فلز قلوي دون تكوين التشعبات.
يؤدي استخدام الأنود المعدني القلوي (الليثيوم أو الصوديوم أو البوتاسيوم) - وهو أمر غير ممكن مع البطاريات التقليدية - إلى زيادة كثافة طاقة الكاثود ويوفر دورة حياة طويلة. وفي التجارب، أظهرت خلايا الباحثين أكثر من 1200 دورة ذات مقاومة منخفضة للخلايا.
بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن إلكتروليتات الزجاج الصلب يمكن أن تعمل، أو تتمتع بموصلية عالية، عند درجة حرارة -20 درجة مئوية، فإن هذا النوع من البطاريات في السيارة يمكن أن يؤدي أداءً جيدًا في درجات حرارة تحت الصفر. هذه هي أول خلية بطارية صلبة بالكامل يمكنها العمل تحت درجة حرارة 60 درجة مئوية.
بدأت براغا في تطوير إلكتروليتات الزجاج الصلب مع زملائها أثناء وجودها في جامعة بورتو في البرتغال. منذ حوالي عامين، بدأت التعاون مع جوديناف والباحث أندرو ج. مورشيسون في UT أوستن. قال براغا إن Goodenough قدم فهمًا لتركيبة وخصائص إلكتروليتات الزجاج الصلب التي أدت إلى إصدار جديد من الإلكتروليتات التي حصلت الآن على براءة اختراع من خلال مكتب UT Austin لتسويق التكنولوجيا.
تسمح الإلكتروليتات الزجاجية الخاصة بالمهندسين بصفيحة وتجريد المعادن القلوية على كل من الكاثود وجانب الأنود دون التشعبات، مما يبسط عملية تصنيع خلايا البطارية.
ميزة أخرى هي أن خلايا البطارية يمكن تصنيعها من مواد صديقة للأرض.
"تسمح الإلكتروليتات الزجاجية باستبدال الصوديوم منخفض التكلفة بالليثيوم. وقال براغا: "يتم استخراج الصوديوم من مياه البحر المتوفرة على نطاق واسع".
يواصل Goodenough وBraga تطوير أبحاثهما المتعلقة بالبطاريات ويعملان على العديد من براءات الاختراع. وعلى المدى القصير، يأملون في العمل مع صانعي البطاريات لتطوير واختبار موادهم الجديدة في السيارات الكهربائية وأجهزة تخزين الطاقة.
يتم دعم هذا البحث من قبل جامعة تكساس في أوستن، ولكن لا توجد منح مرتبطة بهذا العمل. يتفاوض مكتب تسويق التكنولوجيا في جامعة تكساس بأوستن بشكل نشط حول اتفاقيات الترخيص مع العديد من الشركات العاملة في مجموعة متنوعة من قطاعات الصناعة المتعلقة بالبطاريات.
المصدر: https://news.utexas.edu/2017/02/28/goodenough-introduces-new-battery-technology/
