تقنية النانو في البطاريات: حل اللغز الذي عجزت عنه آلاف الدراسات

ﺗﻌﺗﺑﺭ ﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﺍﻟﻠﻳﺛﻳﻭﻡ (ﺃﻭ ﻟﻳﺛﻳﻭﻡ­ﺃﻳﻭﻥ) ﻣﻥ ﺃﻫﻡ ﺃﻧﻭﺍﻉ ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﺍﻟﻘﺎﺑﻠﺔ ﻹﻋﺎﺩﺓ ﺍﻟﺷﺣﻥ ﻭﺗﺳﺗﺧﺩﻡ ﻓﻲ ﻋﺩﺩ ﻛﺑﻳﺭ ﻣﻥ ﺍﻷﺟﻬﺯﺓ ﺍﻹﻟﻛﺗﺭﻭﻧﻳﺔ
ﻭﻓﻲ ﻛﺛﻳﺭ ﻣﻥ ﺍﻟﻣﺟﺎﻻﺕ. ﻓﻲ ﻣﺣﺎﻭﻟﺔ ﻟﺗﺻﻧﻳﻊ ﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻣﻥ ﺷﺄﻧﻬﺎ ﺃﻥ ﺗﺧﺯﻥ ﺃﻭ ﺗﺳﺗﻭﻋﺏ ﻁﺎﻗﺔ ﺃﻛﺑﺭ ﻭ ﻓﻲ ﻧﻔﺱ ﺍﻟﻭﻗﺕ ﻻ ﺗﻛﻠﻑ ﺍﻟﻛﺛﻳﺭ ﻓﻲ
ﺻﻧﺎﻋﺗﻬﺎ٬ ﻟََﺟﺄَ ﺍﻟﻌﻠﻣﺎء ﻟﺗﺻﻧﻳﻊ ﻭﺍﺳﺗﺧﺩﺍﻡ ﻣﻭﺍﺩ ﺟﺩﻳﺩﺓ ﻟﺗﺣﺳﻳﻥ ﺃﺩﺍء ﻫﺫﻩ ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ. ﺇﺣﺩﻯ ﺍﻟﻣﺷﻛﻼﺕ ﺍﻟﺗﻲ ﺗﻭﺍﺟﻪ ﺍﻟﻌﻠﻣﺎء ﻫﻲ ﺃﻧﻬﻡ ﻣﺎﺯﺍﻟﻭﺍ
ﺇﻟﻰ ﺍﻵﻥ ﻓﻲ ﺻﺭﺍﻉ ﻟﻣﺣﺎﻭﻟﺔ ﻓﻬﻡ ﺍﻟﻔﻳﺯﻳﺎء ﺍﻷﺳﺎﺳﻳﺔ ﺧﻠﻑ ﻛﻳﻔﻳﺔ ﻋﻣﻝ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ.

ﻓﻲ ﺩﺭﺍﺳﺔ ﻧﺷﺭﺕ ﺃﻭﻝ ﺍﻟﺷﻬﺭ ﺍﻟﺣﺎﻟﻲ ﻓﻲ ﺩﻭﺭﻳﺔ ۱) Nature Communications) ﻭﺿﻊ ﺍﻟﺑﺎﺣﺛﻭﻥ ﻣﻔﻬﻭﻣﺎً ﺟﺩﻳﺩﺍً ﻟﻛﻳﻔﻳﺔ ﺍﻧﺗﻘﺎﻝ
ﺍﻟﻁﺎﻗﺔ ﻓﻲ ﺃﻧﻭﺍﻉ ﻣﻌﻳﻧﺔ ﻣﻥ ﺍﻷﻗﻁﺎﺏ ﺍﻟﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻳﺔ ﻓﻲ ﺧﻼﻳﺎ ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ٬ ﻣﻣﺎ ﺃﺩﻯ ﺇﻟﻰ ﻗﻠﺏ ﺍﻟﺣﻛﻣﺔ ﺍﻟﺗﻘﻠﻳﺩﻳﺔ ﺍﻟﺗﻲ ﺳﺎﺩﺕ ﻷﻛﺛﺭ ﻣﻥ 80 ﻋﺎﻣﺎ.

ﺣﺗﻰ ﻣﺅﺧﺭﺍً٬ ﻛﺎﻥ ﺍﻟﺑﺎﺣﺛﻭﻥ ﻳﺳﺗﺧﺩﻣﻭﻥ ﻣﻌﺎﺩﻟﺔ ﺑﺗﻠﺭ­ﻓﻭﻟﻣﺭ Butler­Volmer  ﻟﻌﻣﻝ ﻧﻣﻭﺫﺝ ﻳﺣﺎﻛﻲ ﺣﺭﻛﺔ ﺍﻻﻟﻛﺗﺭﻭﻧﺎﺕ ﺑﺩﺍﺧﻝ ﺍﻟﻣﻬﺑﻁ
ﻭﺍﻟﻣﺻﻌﺩ (ﺍﻷﻗﻁﺎﺏ ﺍﻟﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻳﺔ)٬ ﻭﺍﻟﺗﻲ ﺗﺻﻑ ﺍﺳﺗﺟﺎﺑﺔ ﺍﻟﺗﻳﺎﺭ ﺍﻟﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻲ ﻟﻠﺟﻬﺩ ﺍﻟﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻲ. ﻟﻛﻥ ﻋﻧﺩﻣﺎ ﺑﺩﺃ ﺍﻟﻌﻠﻣﺎء ﻭ ﺍﻟﺑﺎﺣﺛﻭﻥ ﻓﻲ ﺍﺑﺗﻛﺎﺭ
ﺃﻧﻭﺍﻉ ﺟﺩﻳﺩﺓ ﻣﻥ ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻭ ﻣﻊ ﺗﻁﻭﺭ ﺃﺩﻭﺍﺕ ﺍﻹﺧﺗﺑﺎﺭ ﺑﺩﺃ ﻫﺫﺍ ﺍﻟﻧﻣﻭﺫﺝ ﻓﻲ ﺍﻟﻔﺷﻝ.

ﺧﻠﻝ ﻏﺎﺏ ﻋﻥ 2000 ﻭﺭﻗﺔ ﺑﺣﺙ ﻋﻠﻣﻳﺔ؟

ﺃﺛﺎﺭﺕ ﺍﻟﻔﻛﺭﺓ ﻓﺿﻭﻝ ﺑﻧﻎ ﺑﺎﻱ ﻣﻥ ﻣﻌﻬﺩ ﻣﺎﺳﺎﺗﺷﻭﺳﺗﺱ ﻟﻠﺗﻛﻧﻭﻟﻭﺟﻳﺎ ﻋﻧﺩﻣﺎ ﻣﺭ ﻋﻠﻰ ﺗﺟﺭﺑﺔ ﻳﺎﺑﺎﻧﻳﺔ ﻋﻠﻰ ﺧﻼﻳﺎ ﻟﻳﺛﻳﻭﻡ ﻓﻭﺳﻔﺎﺕ ﺍﻟﺣﺩﻳﺩ٬ ﻭﻗﺎﻝ:
“ﺇﻥ ﻣﻌﺎﺩﻟﺔ ﺑﺗﻠﺭ­ﻓﻭﻟﻣﺭ ﺍﻟﺗﻘﻠﻳﺩﻳﺔ ﻟﻡ ﺗﻛﻥ ﻣﻧﺎﺳﺑﺔ ﻟﻧﺗﺎﺋﺞ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﺗﺟﺭﺑﺔ “. ﻭ ﻳﺿﻳﻑ ﻣﻌﻠﻘﺎ: “ﺗﺳﺗﺧﺩﻡ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻓﻲ ﻧﻁﺎﻕ ﻭﺍﺳﻊ
ﻭﺧﺎﺻﺔ ﺑﺷﻛﻝ ﺗﺟﺎﺭﻱ٬ ﻭﻗﺩ ﺗﻡ ﺩﺭﺍﺳﺔ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﻣﺎﺩﺓ ﻭﺍﻟﺗﺣﻘﻳﻕ ﻓﻲ ﺃﻣﺭﻫﺎ ﻓﻲ ﻣﺎ ﻳﻘﺎﺭﺏ 2000 ﻭﺭﻗﺔ ﺑﺣﺙ ﻋﻠﻣﻳﺔ”.
ﻟﺫﻟﻙ ﺇﻧﻪ ﻟﻣﻥ ﺍﻟﻣﻔﺎﺟﺊ ﺃﻥ ﺍﻟﻌﻠﻣﺎء ﻣﺎﺯﺍﻟﻭﺍ ﻻ ﻳﻔﻬﻣﻭﻥ ﺗﻣﺎﻣﺎً ﺳﻠﻭﻙ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﻣﺎﺩﺓ. ﺍﻟﻌﺩﻳﺩ ﻣﻥ ﺍﻟﺩﺭﺍﺳﺎﺕ ﻭﺍﻷﺑﺣﺎﺙ ﺍﻟﺳﺎﺑﻘﺔ ﺗﻔﺗﺭﺽ ﺃﻥ ﺃﺩﺍء
ﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻟﻳﺛﻳﻭﻡ ﻓﻭﺳﻔﺎﺕ ﺍﻟﺣﺩﻳﺩ ﺗﻌﺗﻣﺩ ﻋﻠﻰ ﺳﺭﻋﺔ ﺣﺭﻛﺔ ﺃﻳﻭﻧﺎﺕ ﺍﻟﻠﻳﺛﻳﻭﻡ ﺑﻳﻥ ﺍﻻﻟﻛﺗﺭﻭﻻﻳﺕ ﺍﻟﺳﺎﺋﻝ ­ ﻭﻫﻭ ﺍﻟﻣﺣﻠﻭﻝ ﺍﻟﺫﻱ ﻳﻐﻣﺭ ﺍﻟﺧﻼﻳﺎ
ﺑﺩﺍﺧﻝ ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻭﻳﺳﻣﻰ ﺍﻟﻣﺣﻠﻭﻝ ﺍﻟﻣﻭﺻﻝ ­ ﻭﺍﻟﻘﻁﺏ ﺍﻟﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻲ ﺍﻟﺻﻠﺏ.

ﻗﺎﻡ ﺑﻧﻎ ﺑﺎﻱ ﻭ ﻣﺎﺭﺗﻥ ﺑﺎﺯﺍﻧﺕ ﻭﻫﻭ ﺃﺳﺗﺎﺫ ﺍﻟﻬﻧﺩﺳﺔ ﺍﻟﻛﻳﻣﻳﺎﺋﻳﺔ ﺑﻣﻌﻬﺩ ﻣﺎﺳﺎﺗﺷﻭﺳﺗﺱ ﻟﻠﺗﻛﻧﻭﻟﻭﺟﻳﺎ ﺑﺎﺧﺗﺑﺎﺭ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﻔﺭﺿﻳﺔ ﺑﺎﺳﺗﺧﺩﺍﻡ ﺧﻠﻳﺔ ﻓﻳﻬﺎ
ﻗﻁﺏ ﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻲ ﺗﻡ ﻁﻼﺅﻩ ﺑﻣﺎﺩﺓ ﺍﻟﻛﺭﺑﻭﻥ. ﻳﺗﻡ ﻋﺎﺩﺓ ﻁﻼء ﺍﻟﻘﻁﺏ ﺍﻟﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻲ ﻓﻲ ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻟﺗﺣﺳﻳﻥ ﺍﻟﺗﻭﺻﻳﻝ ﺍﻟﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻲ ﻭﻟﺗﻣﻧﻊ ﺍﻭ ﺗﺣﺩ ﻣﻥ
ﺗﺂﻛﻝ ﺍﻟﻘﻁﺏ ﺍﻟﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻲ (۲). ﻭﺑﺗﺣﻠﻳﻝ ﺃﺩﺍء ﺍﻟﺧﻠﻳﺔ ﻭﺟﺩ ﺍﻟﺑﺎﺣﺛﻭﻥ ﺃﻥ ﻣﻌﺎﺩﻟﺔ ﺑﺗﻠﺭ­ﻓﻭﻟﻣﺭ ﻟﻡ ﺗﺗﻭﺍﻓﻕ ﻣﻊ ﺍﻟﻧﺗﺎﺋﺞ ﺑﺷﻛﻝ ﺟﻳﺩ٬ ﻭﻟﻛﻥ ﻧﻣﻭﺫﺝ ﺁﺧﺭ
ﻭﻫﻲ ﻧﻅﺭﻳﺔ Marcus­Hush­Chidsey  ﺗﻭﺍﻓﻘﺕ ﻣﻊ ﺍﻟﻁﺎﻗﺔ ﺍﻟﻛﻠﻳﺔ ﺍﻟﻧﺎﺗﺟﺔ ﻟﻠﺗﺟﺭﺑﺔ.

ﺗﺻﻑ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﻧﻅﺭﻳﺔ ﺍﻷﺧﺭﻯ ﺣﺭﻛﺔ ﺍﻻﻟﻛﺗﺭﻭﻧﺎﺕ ﻓﻲ ﺍﻟﻣﺳﺗﻭﻳﺎﺕ ﺍﻟﺫﺭﻳﺔ. ﻓﻲ ﻫﺫﻩ ﺍﻟﺣﺎﻟﺔ ﺗﻌﺗﺑﺭ ﺳﺭﻋﺔ ﺣﺭﻛﺔ ﺍﻻﻟﻛﺗﺭﻭﻧﺎﺕ ﻣﻥ ﺍﻟﻘﻁﺏ
ﺍﻟﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻲ ﻭ ﻁﻼء ﺍﻟﻛﺭﺑﻭﻥ ­ ﺍﻟﺫﻱ ﻳﻐﻠﻑ ﺍﻟﻘﻁﺏ ﻧﻔﺳﻪ ­ ﻫﻲ ﺍﻟﻌﺎﻣﻝ ﺍﻟﺭﺋﻳﺳﻲ ﺍﻟﺫﻱ ﻳﺣﺩﺩ ﺃﺩﺍء ﺍﻟﺧﻠﻳﺔ. ﻭﻋﻠﻰ ﺍﻟﻧﻘﻳﺽ ﻣﻥ ﺫﻟﻙ ﻓﺈﻥ ﺣﺭﻛﺔ
ﺃﻳﻭﻧﺎﺕ ﺍﻟﻠﻳﺛﻳﻭﻡ ﺃﺳﺭﻉ ﺑﻛﺛﻳﺭ ﻣﻥ ﺃﻥ ﺗﻠﻌﺏ ﺃﻱ ﺩﻭﺭ ﻣﻬﻡ ﻓﻲ ﺗﺣﺩﻳﺩ ﺃﺩﺍء ﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻟﻳﺛﻳﻭﻡ­ﺃﻳﻭﻥ.

ﻳﺗﻌﺎﺭﺽ ﺍﻟﻧﻣﻭﺫﺟﺎﻥ ﻭﺧﺎﺻﺔ ﻓﻳﻣﺎ ﻳﺗﻌﻠﻕ ﺑﺗﻔﺳﻳﺭ ﺃﺩﺍء ﺍﻟﺧﻼﻳﺎ ﻓﻲ ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ٬ ﻭﻳﻘﻭﻝ ﺑﺎﻱ “ﺑﺎﻟﻧﺳﺑﺔ ﻟﺑﺣﺛﻧﺎ ﻳﺑﺩﺃ ﺍﻟﻔﺭﻕ ﻓﻲ ﺍﻟﻅﻬﻭﺭ ﻋﻧﺩ ﺍﻟﻘﻳﻡ
ﺍﻟﻌﺎﻟﻳﺔ ﻟﻠﺟﻬﺩ ﺍﻟﻛﻬﺭﺑﺎﺋﻲ؛ ﺃﻱ ﺃﻋﻠﻰ ﻣﻥ 100 ﻣﻠﻲ­ﻓﻭﻟﺕ”.

ﺍﻟﻁﺭﻳﻕ ﻧﺣﻭ ﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﺃﻓﺿﻝ

ﻋﻠﻰ ﺍﻟﺑﺎﺣﺛﻳﻥ ﺃﻥ ﻳﺄﺧﺫﻭﺍ ﻓﻲ ﺍﻟﺣﺳﺑﺎﻥ ﻣﻌﺩﻻﺕ ﻧﻘﻝ ﺍﻻﻟﻛﺗﺭﻭﻥ (ﻧﻘﻝ ﺍﻻﻟﻛﺗﺭﻭﻥ ﻣﻥ ﺫﺭﺓ ﻷﺧﺭﻯ) ﻓﻲ ﻧﻣﺎﺫﺟﻬﻡ ﻟﻠﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻟﻛﻲ ﻳﺗﻔﻕ ﺃﺩﺍء
ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻓﻲ ﺍﻟﻭﺍﻗﻊ ﻣﻊ ﻧﻣﺎﺫﺝ ﺍﻟﻣﺣﺎﻛﺎﺓ. ﻫﺫﻩ ﺍﻟﻧﺗﺎﺋﺞ ﻭ ﺍﻻﻛﺗﺷﺎﻓﺎﺕ ﺗﻔﺗﺢ ﻟﻠﻌﻠﻣﺎء ﻁﺭﻗﺎً ﺟﺩﻳﺩﺓً ﻟﺗﺣﺳﻳﻥ ﺃﺩﺍء ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻣﺛﻝ ﺍﺳﺗﺧﺩﺍﻡ
ﻣﺭﻛﺑﺎﺕ ﻟﺟﺳﻳﻣﺎﺕ ﻋﻠﻰ ﻣﻘﻳﺎﺱ ﺍﻟﻧﺎﻧﻭ.

ﻭﺻﻑ ﺭﻭﺩﻭﻟﻑ ﻣﺎﺭﻛﻭﺱ ﺃﺳﺗﺎﺫ ﺍﻟﻛﻳﻣﻳﺎء ﻓﻲ ﻣﻌﻬﺩ ﻛﺎﻟﻳﻔﻭﺭﻧﻳﺎ ﻟﻠﺗﻛﻧﻭﻟﻭﺟﻳﺎ ­ ﻭﺍﻟﺣﺎﺻﻝ ﻋﻠﻰ ﺟﺎﺋﺯﺓ ﻧﻭﺑﻝ ﺑﻌﺎﻡ 1992  ﻓﻲ ﺍﻟﻛﻳﻣﻳﺎء ﻋﻠﻰ
ﻋﻣﻠﻪ ﻓﻲ ﺗﻔﺎﻋﻼﺕ ﺍﻻﻧﺗﻘﺎﻝ ﺍﻹﻟﻛﺗﺭﻭﻧﻲ (electron­transfer reactions) ­ ﻋﻣﻝ ﺑﻧﻎ ﺑﺎﻱ ﺑﺄﻧﻪ: “ﺧﻁﻭﺓ ﻛﺑﻳﺭﺓ ﻟﻸﻣﺎﻡ ﻭﺧﺎﺻﺔ ﻟﺗﻘﻧﻳﺔ
ﺍﻟﻧﺎﻧﻭ”.

ﻭﺑﺣﺳﺏ ﻣﺎﺭﻛﻭﺱ ﻓﺈﻥ ﻓﻬﻣﻧﺎ ﻟﻸﺳﺎﺳﻳﺎﺕ ﻋﻠﻰ ﻧﺣﻭ ﺃﻓﺿﻝ ﻗﺩ ﻳﺳﺎﻋﺩ ﺍﻟﻌﻠﻣﺎء ﻳﻭﻣﺎً ﻣﺎ ﻋﻠﻰ ﺗﺣﺳﻳﻥ ﺃﺩﺍء ﺍﻟﺑﻁﺎﺭﻳﺎﺕ ﻭﺍﻟﺫﻱ ﻣﻥ ﺷﺄﻧﻪ ﺃﻥ
ﻳﻣّﻛﻧﻧﺎ ﻣﻥ ﺗﺻﻧﻳﻊ ﺗﻛﻧﻭﻟﻭﺟﻳﺎ ﻭ ﺗﻘﻧﻳﺔ ﻧﻅﻳﻔﺔ. ﺍﻟﻬﺩﻑ ﺍﻵﻥ ﻫﻭ ﺩﺭﺍﺳﺔ ﻭﻓﻬﻡ ﻛﻝ ﺧﻁﻭﺓ ﻣﻥ ﺧﻁﻭﺍﺕ ﻋﻣﻝ ﺍﻟﺧﻠﻳﺔ ﻓﻬﻣﺎً ﺩﻗﻳﻘﺎً.

* By Umair Irfan
http://www.scientificamerican.com/article/mystery­of­lithium­ion­batteries­solved

ﺗﺭﺟﻣﺔ: ﻟﺟﻳﻥ ﻋﻠﻲ
ﺗﺩﻗﻳﻕ: ﺯﻳﻧﺏ ﻋﺑﺩﺍﻟﻠﻪ

۱) Bai, Peng, and Martin Z. Bazant. “Charge transfer kinetics at the solid–solid interface in
porous electrodes.” Nature communications 5 (2014).

۲) Ponrouch, Alexandre, et al. “A new room temperature and solvent free carbon coating
procedure for battery electrode materials.” Energy & Environmental Science 6.11 (2013):
3363­3371.
Photo via Oliver Munday