جسم الانسان يلهم مادة دائمة جديدة للبطاريات الهيكلية

إن ركبتيك وبطارية هاتفك الذكي لديهما بعض الاحتياجات المتماثلة تماثلًا مدهشًا؛كما اكتشف أستاذ في جامعة ميتشيغان، وقد أدت هذه الرؤية الجديدة إلى نموذج أولي "للبطارية الهيكلية" يشتمل على مادة تشبه الغضاريف لجعل البطاريات متينة للغاية (البطارية الهيكلية أصبحت موضع اهتمام الباحثين هذه الأيام بسبب مزاياها العديدة التي تتضمن تقليل وزن الجهاز، وتحسين قدرة البطارية ووزنها).

الفكرة وراء البطاريات الهيكلية هي تخزين الطاقة في المكونات الهيكلية - جناح الطائرة بدون طيار أو مصد السيارة الكهربائية على سبيل المثال. 

لقد كان هذا هدفًا بعيد المدى للباحثين والصناعة؛ نظرًا إلى أنهم قد يخفضون الوزن ويوسعون المدى، ولكن البطاريات الهيكلية كانت ثقيلة أو قصيرة العمر أو غير آمنة؛ فلذلك كانت هناك تَخوُّف.

وفي دراسة نشرت في ACS Nano ؛ وصف الباحثون كيف صنعوا بطارية زنك قابلة لإعادة الشحن ومقاومة للضرر بواسطة إلكتروليت صلب يشبه الغضروف؛ إذ أوضحوا أن البطاريات يمكن أن تحُل محِل الأغطية العلوية للعديد من الطائرات التجارية من دون طيار، ويمكن لخلايا النموذج الأولي أن تعمل أكثر من 100 دورة بسعة 90٪، وتتحمل المؤثرات القاسية دون أن تفقد الجهد أو تشعل نار.

"البطارية التي هي في الأساس مكون هيكلي أيضًا يجب أن تكون خفيفة وقوية وآمنة وذات قدرة عالية. ويقول نيكولاس كوتوف، جوزيف ب، وفلورنس في سيجكا، أستاذ الهندسة، والذي قاد البحث: "للأسف؛ غالباً تكون بعيدة بعضها عن بعض".

تسخير خصائص الغضروف

وللتخلص من هذه التناقضات (تباعد الخصائص المطلوبة) استخدم الباحثون الزنك وهي مادة هيكلية، وأغشية نانوية متفرعة تشبه ألياف الكولاجين في الغضروف.

وقال كوتوف: "الطبيعة ليس بها بطاريات من الزنك ولكنها تحل مشكلة مماثلة"، وأيضًا "تبين أن الغضروف هو نموذج أولي مثالي لمادة نقل الأيونات في البطاريات لديه ميكانيكا مدهشة وهيو يخدمنا فترة طويلة جدًّا مقارنة بمدى رقة سمكه، وهناك حاجة إلى هذه الصفات نفسها من إلكتروليتات صلبة تفصل بين المصاعد والمهابط في البطاريات".

في أجسامنا؛ يجمع الغضروف بين القوة الميكانيكية والمتانة مع القدرة على السماح للماء والمغذيات والمواد الأخرى بالمرور من خلاله، وهذه الصفات متطابقة تقريبًا مع تلك الموجودة في الإلكتروليت الصلب الجيد التي يجب أن تقاوم الضرر الناتج عن التشعبات؛ في حين تسمح بتدفق الأيونات من قطب كهربائي إلى آخر أيضًا.

التشعبات هي محاليل معدنية تخترق الفاصل بين الأقطاب الكهربائية وتنشئ ممرًا سريعًا للإلكترونات؛ مما يحُثُّ قصر للدائرة ويسبب حريقًا. وقد سبق أن تم تجاهلوا الزنك بوصفه مادة لبطاريات قابلة لإعادة الشحن؛ لأنها تميل إلى التلف بعد عدة دورات شحن/ تفريغ.

لا يمكن للأغشية التي تبنَّاها فريق كوتوف نقل أيونات الزنك بين الأقطاب الكهربائية فقط؛ بل يمكنها إيقاف التشعبات الخارقة للزنك أيضًا؛ مثل الغضروف تتكون الأغشية من ألياف نانوية فائقة الترابط تتشابك مع مادة ليِّنة أيونية.

في البطاريات ، توجد ألياف نانوية من الأراميد - وهي المواد الموجودة في السترات الواقية من الرصاص-للكولاجين ، مع أكسيد البولي إيثيلين (وهو عبارة عن جزيء يشبه الكربون على شكل سلسلة) وملح الزنك ليحل محل المكونات اللينة في الغضروف"

توضيح متطلبات السلامة

لجعل الخلايا تعمل  ، قام الفريق بإقران أقطاب الزنك بأكسيد المنغنيز - وهو المزيج الموجود في البطاريات القلوية القياسية. ولكن في البطاريات القابلة لإعادة الشحن ، يحل الغشاء الشبيه بالغضروف محل الفاصل القياسي والمنحل بالكهرباء. وباعتبارها بطاريات ثانوية على متن الطائرات بدون طيار ، يمكن لخلايا الزنك أن تزيد زمن الطيران بنسبة تتراوح من 5 إلى 25 بالمائة ، وهذا يتوقف على حجم البطارية وكتلة الطائرة بدون طيار وظروف الطيران.

السلامة أمر حاسم للبطاريات الهيكلية ، لذلك قام الفريق بتعمد تدمير خلاياه. على الرغم من "الشروخ" المتعددة ، استمرت البطارية في التفريغ بالقرب من جهد تصميمها. هذا لأنه لا يوجد سائل يتسرب.

في الوقت الحالي ، تعد بطاريات الزنك الأفضل كمصادر طاقة ثانوية نظرًا لعدم قدرتها على الشحن والتفريغ بسرعة مثل نظيرتها من أيونات الليثيوم. لكن فريق كوتوف يعتزم استكشاف ما إذا كان هناك قطب أفضل كشريك يمكنه تحسين سرعة البطاريات القابلة لإعادة الشحن المصنوعة من الزنك ويطول عمرها.

و تم تأييد البحث من قبل مكتب سلاح الجو للبحث العلمي والمؤسسة الوطنية للعلوم.

المصادر:

1- هنا

2- هنا

3- هنا