قد يكون من الممكن جداً تخزين المزيد من الطاقة في بطاريات الليثيوم -إيون المستخدمة في أجهزة الكمبيوتر المحمولة والسيارات الكهربائية و ذلك بمساعدة مادة السيلكون الأسفنجية ذات البنية المسامية. فقد طور الباحثون مادة مسامية لتحل محل الغرافيت المستخدم بشكل تقليدي في أقطاب البطاريات، حيث يملك السيلكون قدرة تخزينية للطاقة أكبر من الغرافيت بعشرة أضعاف . وذلك وفق ما تم نشره في ورقة علمية ضمن مجلة Nature communications.
يقول جيسون تشانغ من المختبر الوطني في شمال غرب المحيط الهادئ: " نُظر للسيلكون منذ فترة طويلة على أنه الوسيلة الأفضل لتحسين أداء بطاريات الليثيوم-إيون ولكن عندما يتم شحن هذه البطاريات فإن مادة السيلكون تبدأ بالتضخم بشكل كبير كما أنها يمكن أن تتفكك مما يجعل قطب السيلكون غير صالح للعمل، قمنا بتطوير مادة السيلكون المسامية المشابهة للأسفنج لكي تعطي المساحة المطلوبة للتوسع دون أن تجعلها تتحطم"
تمتلك بطاريات الليثيوم -إيون القابلة للشحن قطبين : قطب موجب مصنوع من مادة الليثيوم وقطب سالب يتكون عادةً من مادة الغرافيت، عند شحن البطارية يمتص مسرى الغرافيت أيونات الليثيوم (ذرات الليثيوم ذات الشحنة الموجبة) وعند تفريغ البطارية يحدث تفاعل كيميائي يجعل الأيونات تتدفق من الغرافيت الى القطب الأخر خلال الكهرل (محلول ناقل للتيار الكهربائي)الذي يتواجد فيه القطبين، فتتولد الكهرباء ،أحد القيود الأساسية التي تحد من القدرة التخزينية لبطاريات الليثيوم أيون هي كمية الأيونات التي من الممكن تجميعها في الغرافيت . لذلك قام الباحثون بالبحث عن مواد جديدة مثل السيليكون وذلك لزيادة قدرة الطاقة التخزينية لهذه البطاريات، تستمر بطارية الليثيوم أيون المزودة بقطب السيلكون لفترة أطول بمقدار 30% من البطاريات المزودة بقطب من الغرافيت. حالياً يمكن للسيارات الكهربائية المزودة ببطاريات ليثيوم أيون مع أقطاب سيلكونية أن تسير مسافة قدرها حوالي 209.2 كيلو متر لكل عملية شحن واحدة .لكن للأسف فإن السيلكون يتوسع لثلاثة أضعاف حجمه عند عملية الشحن مما يخلق ضغط يؤدي لتحطيم البطارية، حيث حاول العديد من العلماء جعل مكونات البطارية ذات حجم نانوي باعتبار أن الحجم النانوي يعطي مساحة أكبر للتوسع ولكن لم تسفر تلك الجهود عن تكنولوجيا توافق متطلبات السوق.
تساءل تشاانغ وزملائه في PNNL (المختبر الوطني في شمال غرب المحيط الهادئ ) عما إذا كان استخدام أقطاب السيلكون الأسفنجي سيفي بالغرض، حيث تم حفر مسام في سطح قطب السيلكون ولكن لم تنجح هذه الطريقة في توزيع المساحات الفارغة على كامل حجم المادة، لذلك تم الاستعانة والتواصل مع مايكل سايلور الكيميائي من جامعة كاليفورنيا في سان ديغو الذي كان يعمل على مادة السيلكون المسامي في الكشف عن الملوثات .قامت PNNL باستخدام طريقة سايلور لصناعة السيلكون المسامي حيث توضع صفائح رقيقة في حمام كيميائي لخلق مسام صغيرة خلال المادة ثم تغلف بعد ذلك بطبقة رقيقة من الكربون الموصل لجعلها كأقطاب البطارية.
لاحقاً تم تعاون الفريق مع عالم المواد" Chongmin Wang "، المتخصص في استخدام المجاهر الالكترونية من مخبر العلوم الجزيئية البيئية EMSL في وزارة الطاقة، بالإضافة إلى مختبر العلوم الجزيئية البيئية في PNNL. حيث يستخدم وانغ المجاهر الالكترونية القوية لتسجيل مقاطع فيديو قريبة للبطاريات الصغيرة . مما يسمح للباحثين بفهم أفضل للتغيرات الفيزيائية والكيميائية للبطاريات خلال عملها. وضع وانغ السيلكون الأسفنجي المغطى بالكربون تحت عدسة المجهر الالكتروني خلال سلسلة من عمليات الشحن والتفريغ.
لاحظ الفريق عند عملية الشحن توسع القطب الجديد داخل المساحات الفارغة التي أنشأتها البنية المسامية لمادة السيلكون الأسفنجي.توسع الشكل الخارجي للقطب الجديد بنسبة قدرها 30% فقط ، وهو أقل بكثير _من نسبة الـ300 % التي عادةً ما تحصل عند استخدام السيلكون العادي. كما أن القطب الجديد لم يتعطل حتى بعد أكثر من 1000 عملية شحن وتفريغ، حيث حافظت هذه الأقطاب على أكثر من 80% من قدرتها التخزينية للطاقة البدائية .
يخطط تشانغ وزملاءه لاحقاً لعملية تطوير نموذج لبطاريات أكبر باستخدام هذه الأقطاب السيلكونية الأسفنجية، وكجزء من هذا الجهد سيقومون بتطوير عملية إنتاج أكثر بساطة بحيث تكون تلك الأقطاب الجديدة ذات كلفة اقتصادية مقبولة.

المصادر: هنا