من الآن فصاعدًا قد تُصبحُ المشاكلُ المُتعلقةُ بالشحنِ ماضيًا أو شيئًا من التاريخ وخاصّةً شحن السيارات الكهربائية - من الوقوفِ أثناء القيادةِ لِتوصيلِ السيارةِ بالقابس الكهربائي من أجل الشحن- فقد طوّر العُلماء تصميمًا جديدًا للقُطب الكهربي والذي بإمكانه شحنُ البطارياتِ في ثوانٍ بدلًا من ساعات.
فقد صرّحَ العُلماءُ إنَّ مادةً جديدةً يمكنُها أن تحلَّ الكثيرَ من المشاكلِ المُتعلقةِ بالشحن، ليس فقط الضَجر الناجم عن الشحن المُتكرر للهواتف، بل أيضًا يُمكنها أن تحلَّ واحدةً من القضايا الأساسية المُسببّة لتراجع سوق السيارات الكهربائية.

تناولت الأبحاث السابقة قضيةَ استخدامِ المُكثّفاتِ الفائقةِ كجهازِ تخزينٍ للطاقةِ للإلكترونيات المَحمولة، فالمُكثّفاتُ الفائقةُ تُطلقُ الطّاقةَ في شكلِ انفجاراتٍ ناريةٍ كبيرةٍ ولها إمكانياتٌ لا تُصدّقُ عندما يتعلّقُ الأمر بتشغيلِ وعملِ التكنولوجيا الخاصّة بنا، ولكن هُناك مُشكلة، وهي أنّها يمكنُ أن تُستخدم فقط لِدوراتِ الشحن والتفريغِ السريع بدلًا من تخزين الطاقة على المدى الطويل.
والآن، قامَ فريقٌ من جامعةِ دريكسل بالجمعِ بينَ خصائصِ المُكثّفاتِ الفائقةِ وبينَ البطارياتِ التقليديةِ التي لديها قُدراتٌ تخزينيةٌ كبيرةٌ باستخدامِ مادّةٍ تسمّى (مكسين - MXene).

يقولُ يوري غوغوتسي (Yury Gogotsi) قائدُ فريقِ البحثِ من كليةِ دريكسل للهندسة: "تدحضُ هذه الورقةُ العقيدةَ المُنتشرةَ على نطاقٍ واسعٍ، وهي أنّ عمليةَ التخزينِ الكيميائيّ المُستخدمةَ في البطارياتِ هي دائمًا أبطأُ بكثيرٍ من عمليةِ التخزينِ الفيزيائيّ المستخدمةِ في المكثفاتِ الكهربائيةِ ذاتِ الطّبقةِ المزدوجةِ والمعروفةِ أيضاً بالمُكثّفاتِ الفائقة."

ويضيفُ: "نستطيعُ شحنَ أقطابِ "مكسين" الرقيقةِ خلالَ عشراتٍ من الميلي ثانية، وهذا مُمكنٌ بسببِ النّاقلية الإلكترونية العاليةِ جداً لمادة "مكسين"؛ ممّا يُمهدُ الطريقَ أمامَ تطويرِ أجهزةِ تخزينِ الطّاقةِ فائقةِ السّرعةِ التي يُمكنُ شحنُها وتفريغُها في غضونِ ثوانٍ، ولكن بميزةٍ إضافيةٍ وهي تخزينُ طاقةٍ أكثرَ بكثيرٍ من المكثفاتِ الفائقةِ التقليديةِ ".

حسنًا، ما هي مادة (مكسين - MXene)؟
مادةٌ نانويةٌ مسطحةٌ تبدو وكأنّها قطعةُ سَنْدوِيش (انظر الشكل 1)، تتكون من أكسيد (وهو ما يُعادل الخبز في السَنْدوِيش) مع كربون و معدن موصل (وهو ما يُعادل الحَشوة في السَنْدوِيش). عندما يتم تصنيعها تتكَدّسُ طبقاتُ مكسين فوقَ بعضِها مشكّلةً ما يشبه الـبرينغل Pringle (طعامٌ أميركيٌّ مُكّوَن من شرائح من البطاطا). وبرغمِ النّاقلية الممتازةِ لمادة مكسين، يخلقُ هيكل البرينغل حاجزًا يجعلُ من الصّعب للأيونات (الحوامل الكيميائية للشحنة) أن تنتشرَ من خلالِ البطارية.


Image: Drexel University


Image: Drexel University

يتمُّ الإحتفاظُ بالأيونات في مَنافذَ تُسمّى"أكسدة المواقع النشطة" في البطارياتِ التي تقومُ بتخزينِ الشُحنات، وكُلّما زاد عددُ المَنافذ زادتْ الطّاقةُ التي يمكنُ للبطاريةِ أن تحفظَها، والأهمّ من ذلك أن تَسمحَ البطارية للأيونات بالتحرّكِ بحريةٍ، وإلا فإنها لن تتمكنَ من الوصولِ إلى المنافذ. ولكي تتمكنَ الأيوناتُ من التحرك بحريةٍ في مادةِ مكسين يجب حلّ مشكلة الهيكلِ السّابقِ شرحُها (الناتج عن تكدس طبقات مكسين).
لذلك غيّرَ العلماءُ هيكلَ مادةِ مكسين من خلالِ دمجه مع الهيدروجيل (هلام مائي)، مما أدَّى إلى تحويلِ حزم البرينغل المُتشابكةِ إلى هيكلٍ شبيهٍ بالجبنِ السّويسري ممّا يسمحُ للأيونات بالتّحرك بحريةٍ.

قالت ماريا لوكاتسكايا (Maria Lukatskaya) أحدُ أعضاءِ الفريق: " تتخذُ الأيوناتُ مسارًا مُتعرّجًا نحو منافذِ تخزينِ الشحناتِ في البطارياتِ التقليديةِ والمُكثفاتِ الفائقةِ، وهذا الأمرُ لا يُبطّئ كلَّ شيءٍ فحسب، بل يؤدّي أيضاً إلى وصولِ عددٍ قليلٍ جداً من الأيونات إلى وجهتها عند معدلات الشحن السريع."

وأضافت: "سيسمحُ التصميمُ المثاليّ للقطبِ الكهربائيّ للأيونات بالتّحركِ إلى المنافذِ عبرَ ممراتٍ متعددةٍ عاليةِ السرعةِ بدلًا من اتخاذِ طريقِ ممرٍّ واحدٍ، سَيُحققُ تصميمنا الجديدُ للقُطبِ الكهربائي هذا الهدفَ، مما سيسمحُ بالشّحنِ السريعِ في بضع ثوان أو أقلّ."

ومن الجديرِ بالذكر أنّه في حين أنّ العملَ يبدو واعدًا، فإنّه من غير الواضحِ بالضبط كيفَ سيتمُّ جعلُ البطاريةِ مناسبةً لاستخدامِها في السّياراتِ، ولكن ليس هناك شكٌّ في أنّه حالما تنتهي عمليةُ البحثِ في مجال تطبيقِ هذه التقنيةِ في السياراتِ والهواتفِ فإنّ الطريقةَ التي نستخدمُ بها البطاريات ستتغير تماماً.

لذلك فإنّ هذه المادة الجديدة ستُشكلُ طفرةً جديدةً في عالمِ البطارياتِ والشَحن، وستفتحُ البابَ أمامَ تقنيات حديثة تعتمد في الأساس على الشّحن السريع.

للمزيد من التفاصيل يُمكنك أن تقرأ المزيد عن هذه الدراسةِ عبر هذا الرابط :
هنا

المصدر:
هنا