يطور الباحثون بطارية صغيرة ذات جهد عالٍ بطاقة استثنائية وكثافة طاقة

تجاوز جميع التصاميم الحالية – يطور الباحثون بطارية صغيرة ذات جهد عالٍ بطاقة استثنائية وكثافة طاقة

كان التحدي التكنولوجي المستمر هو صعوبة تقليص الأداء الكهروكيميائي للبطاريات كبيرة الحجم إلى مصادر طاقة أصغر حجمًا ، مما يعيق قدرتها على تشغيل الأجهزة الدقيقة والروبوتات الدقيقة والأجهزة الطبية القابلة للزرع. ومع ذلك ، فقد تغلب الباحثون في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين على هذا التحدي من خلال تطوير بطارية صغيرة عالية الجهد (> 9 فولت) ذات طاقة وكثافة طاقة استثنائية ، لا مثيل لها في أي تصميم بطارية موجود.

أستاذ علوم وهندسة المواد بول براون (كرسي غرينجر المميز في الهندسة ، مدير مختبر أبحاث المواد) ، والدكتور سونغ بونغ كيم (Postdoc ، MatSE ، الأستاذ المساعد الحالي في الأكاديمية العسكرية الكورية ، المؤلف الأول المشارك) ، وأرجيا باترا (طالب دراسات عليا ، MatSE ، MRL ، المؤلف الأول المشارك) مؤخرًا ورقة توضح بالتفصيل النتائج التي توصلوا إليها في Cell Reports Physical Science .

أظهر الفريق محكم الإغلاق (مغلق بإحكام لمنع التعرض للهواء المحيط) ، بطاريات ليثيوم متينة وصغيرة الحجم مع جزء كتلة منخفض بشكل استثنائي في تكوينات فردية ومزدوجة وثلاثية المكدس بجهد تشغيل غير مسبوق ، وكثافة طاقة عالية ، و كثافات الطاقة.

يوضح براون: “نحتاج إلى بطاريات صغيرة قوية لإطلاق الإمكانات الكاملة للأجهزة الدقيقة ، من خلال تحسين هياكل الأقطاب الكهربائية والتوصل إلى تصميمات مبتكرة للبطاريات.” تكمن المشكلة في أنه عندما تصبح البطاريات أصغر ، تهيمن العبوة على حجم البطارية وكتلتها بينما تصبح منطقة القطب الكهربائي أصغر. ينتج عن هذا انخفاض كبير في طاقة البطارية وقوتها.

في تصميمهم الفريد للبطاريات الدقيقة القوية ، طور الفريق تقنية تغليف جديدة تستخدم مجمعات التيار الطرفي الموجب والسالب كجزء من العبوة نفسها (بدلاً من كيان منفصل). سمح ذلك بالحجم المضغوط (0.165 سم 3) وكسر كتلة العبوة المنخفض (10.2٪) من البطاريات. بالإضافة إلى ذلك ، قاموا بتكديس خلايا القطب الكهربائي عموديًا في سلسلة (وبالتالي يضيف جهد كل خلية) ، مما مكّن جهد التشغيل العالي للبطارية.

هناك طريقة أخرى لتحسين هذه البطاريات الدقيقة وهي استخدام أقطاب كهربائية شديدة الكثافة توفر كثافة طاقة. تبلغ نسبة الأقطاب الكهربائية العادية حوالي 40٪ من حيث الحجم الذي تشغله البوليمرات ومضافات الكربون (غير المواد الفعالة). طورت مجموعة براون أقطابًا كهربائية من خلال تقنية ترسيب كهربي مباشر لدرجة الحرارة المتوسطة والتي تكون كثيفة تمامًا وبدون إضافات البوليمر والكربون. توفر هذه الأقطاب الكهربائية شديدة الكثافة كثافة طاقة حجمية أكبر من نظيراتها التجارية. تم تصنيع البطاريات الدقيقة في هذا البحث باستخدام أقطاب DirectPlateTM LiCoO2 المطلية بالكهرباء والتي تصنعها شركة Xerion Advanced Battery Corporation (XABC ، ​​دايتون ، أوهايو) ، وهي شركة انبثقت عن أبحاث براون.

يذكر باترا ، “حتى الآن ، اقتصرت هياكل الأقطاب الكهربائية وتصميمات الخلايا على نطاق النانو الدقيق على التصاميم كثيفة الطاقة التي جاءت على حساب المسامية وكثافة الطاقة الحجمية. لقد نجح عملنا في إنشاء مصدر طاقة صغير الحجم يُظهر كثافة طاقة عالية وكثافة طاقة حجمية “.

تتضمن مساحة التطبيق المهمة لهذه البطاريات الصغيرة تشغيل الروبوتات الدقيقة بحجم الحشرات للحصول على معلومات قيمة أثناء الكوارث الطبيعية ، ومهام البحث والإنقاذ ، وفي البيئات الخطرة حيث يكون الوصول المباشر للبشر أمرًا مستحيلًا. يشير المؤلف المشارك جيمس بيكول (أستاذ مساعد ، قسم الهندسة الميكانيكية والميكانيكا التطبيقية ، جامعة بنسلفانيا) إلى أن “الجهد العالي مهم لتقليل الحمولة الإلكترونية التي يحتاج إليها الروبوت الصغير. يمكن لـ 9 V تشغيل المحركات بشكل مباشر وتقليل فقد الطاقة المرتبط بزيادة الجهد إلى مئات أو آلاف الفولتات المطلوبة من بعض المشغلات.

يضيف كيم ، “عملنا يسد الفجوة المعرفية عند تقاطع كيمياء المواد ، ومتطلبات تصنيع المواد الفريدة لتكوينات البطاريات الصغيرة المستوية كثيفة الطاقة ، والإلكترونيات الدقيقة المطبقة التي تتطلب مصدر طاقة عالي الجهد على متن الطائرة لقيادة المكثفات الدقيقة والمحركات الدقيقة. “

يخلص براون ، الرائد في مجال تصغير البطارية ، إلى أن “تصميمنا الحالي للبطارية الصغيرة مناسب تمامًا لتطبيقات الطاقة العالية والطاقة العالية والجهد العالي والتفريغ الأحادي. وتتمثل الخطوة التالية في ترجمة التصميم إلى جميع منصات البطاريات الصغيرة ذات الحالة الصلبة ، والبطاريات التي ستكون بطبيعتها أكثر أمانًا وكثافة للطاقة من نظيراتها في الخلايا السائلة “.