الهندسة والآليات > منوعات هندسية
مادة جديدة في بطاريات الليثيوم أيون لضمان السلامة
في محاولةٍ لتحسين البطاريات القابلة للشحن والتغلب على العوامل الأساسية المؤدية لتلفها قام مهندسون في جامعة "Maryland" بالاستفادة من البنية الفريدة لمادة الخشب وتعديلها في تصميم نوعٍ جديد من بطاريات الليثيوم. حيث أنه من المعلوم بأن أسلوب الشحن والتفريغ في بطاريات الليثيوم يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها وزيادة خطر تعرضها للانفجار، وهي حالاتٌ شائعةٌ في بطاريات الأجهزة الخلوية والحواسيب المحمولة.
لمزيد من المعلومات عن مشاكل بطاريات الليثيوم وإمكانية تعرضها للانفجار، يمكنكم الاطلاع على الرابط التالي:
التفسيرُ العلميُّ المحتملُ لانفجارِ بطاريةِ جهازِ Galaxy Note7
الفندق الخشبي الجديد:
قام طالب الدكتوراه Ying Zhang من جامعة ميريلاند، وفي محاولةٍ منه للتعامل مع المشكلة السابقة بإعادة تصميم بطارية الليثيوم بحيث تصبح أكثر أمناً، حيث يؤمِّن تصميمه زيادة طاقة البطارية وبالتالي زيادة الاستطاعة الممكن اجترارها من البطارية من قبل الأجهزة الالكترونية المربوطة معها، في الوقت الذي ينخفض فيه خطر ارتفاع درجة حرارة البطارية.
يقوم التصميم الثوري على اعتماد طريقة جديدة في تخزين شوارد الليثيوم في قنوات مجهرية مبنية من الخشب بدلاً من تخزينها على شكل قوالب معدنية.
لسهولة تصور الفكرة، دعونا نشبه بنية البطارية بفندقٍ يحوي على مجموعة من الغرف، حيث تُمثِّل الغرفُ القنواتِ المجهرية، فعند دخول مجموعة من المقيمين إلى الفندق يتم تأمين أكبر عددٍ من الغرف لاستضافة المقيمين، بالطريقة نفسها يعمل الخشب على توفير أكبر عدد من القنوات لاستيعاب أكبر كمية من الليثيوم، فحالما يدخل الليثيوم إلى البنية الخشبية يتم توزيعه على كامل القنوات بشكلٍ لا يؤثر على المظهر الخارجي المتين للخشب، ومن الممكن أن تزيد أو تنقص كمية الليثيوم في كل قناة ولكن دون أن يؤدي ذلك إلى إفساد أو انهيار الهيكل العام.
وهذا شكلٌ توضيحيٍ لها.
يضمن هذا التصميم أماناً أكثر للبطارية حتى عند معدلاتٍ عاليةِ السرعة من الشحن والتفريغ، كما استخدم المهندسون كثافة تيار البطارية كعامل لوصف مدى سرعة معدن الليثيوم في الترسب على السطح، حيث تكافئ ُالكثافةُ العالية وجودَ زيادةٍ مفرطة في كمية الليثيوم المتدفقة من وإلى الخشب وهذا يؤدي بدوره إلى مشاكل عدة، تماماً كما يحدث عندما يتجمع عدد كبير من الزوّار عند مدخل الفندق، حيث يزداد احتمال حصول تزاحمٍ وتصادم، وللتغلب على تلك المشكلة يتم زيادة عدد المداخل وهذا ما اتبعه المهندسون في بحثهم، حيث يتم زيادة عدد المداخل التي تسمح لأيونات الليثيوم بدخول مادة الخشب والاستقرار في مكانها. وحتى في حال بقي العدد الإجمالي للأيونات الداخلة للبنية الخشبية ثابتاً خلال زمنٍ معين، فإن بعض الأيونات ستتسرب من الأبواب لتشكل ما يُعرَف باسم الكثافة المحلية للتيار Local current density، لكن ونتيجةً لوجود مساحةٍ كبيرة تؤمّنها القنوات الخشبية المُضيفة من خلال الأسطح الخشبية الداخلية للقنوات، فإن كثافة هذا التيار المحلي يمكن تخفيضها لزيادة إمكانية التحكم بحركة الليثيوم.
يمكن على سبيل المقارنة، تشبيه البطاريات التقليدية التي تستخدم رقائق الليثيوم المعدنية بفندقٍ ذو مدخل واحد فقط للزوار يستخدمونه للدخول والخروج، فعند اختبار هذه البطارية في ظروف كثافة عالية للتيار، لن يستطيع هذا المدخل الوحيد تنظيم التدفق العالي لا بل ويمكن أن يتصدع الهيكل بسهولة مما يؤدي إلى مخاطر داخل البطارية. في حين أنه ومن جهة أخرى، تؤمن البنية الخشبية ذات القنوات المستقيمة عدداً كبيراً من المداخل للحركة وقنوات لتخزين الليثيوم على نحو نظامي حتى في ظروف الكثافة العالية للتيار: 3 ميللي أمبير لكل سنتيمتر مربع (3mA/cm2) وبهذا تتحقق الفائدة المرجوّة.
يؤكد المشرف على الفريق "Liang bing Hu" وهو أستاذ مساعد في قسم الهندسة وعلم المواد وعضو في " UMER" مركز بحوث الطاقة في جامعة Maryland على أنهم يعتمدون في بحثهم على المواد الطبيعية لتحسين البطاريات، ويأمل في أن تُقدم هذه البنية الحيوية الطبيعية طرقاً جديدةً لتخزين الطاقة إضافة لاستخدام المواد المتجددة أيضاً.
المصادر: