طور المهندسون في جامعة كورنيل بطارية ليثيوم جديدة يتم شحنها خلال خمس دقائق، وهي أسرع من أي بطارية مماثلة في السوق، مع الحفاظ على أداء مستقر خلال دورات الشحن والتفريغ الطويلة. يمكن أن يخفف هذا الاختراق من "قلق المدى" لدى السائقين الذين يشعرون بالقلق من عدم قدرة السيارات الكهربائية على السفر لمسافات طويلة دون أن تستغرق وقتًا لإعادة الشحن.
وقال ليندن آرتشر، أستاذ الهندسة وعميد كلية الهندسة بجامعة كورنيل الذي يشرف على المشروع: "يعد القلق بشأن المدى عائقًا أكبر أمام كهربة النقل من العوائق الأخرى، مثل تكلفة البطارية والأداء". "إذا كان بإمكانك شحن بطارية سيارة كهربائية في خمس دقائق، فلن تحتاج بعد الآن إلى بطارية يصل مداها إلى 300 ميل، ويمكنك اختيار بطارية أصغر، مما يمكن أن يقلل من تكلفة السيارات الكهربائية ويتيح اعتمادها على نطاق أوسع."
نُشرت ورقة الفريق مؤخرًا في مجلة جول. المؤلف الأول لهذه الورقة هو جين شو، وهو طالب دكتوراه متخصص في الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية.
تعد بطاريات الليثيوم أيون إحدى وحدات الطاقة الأكثر استخدامًا في السيارات الكهربائية والهواتف الذكية. البطاريات خفيفة الوزن وموثوقة وموفرة للطاقة نسبيًا. ومع ذلك، يستغرق شحنها ساعات ويفتقر إلى القدرة على التعامل مع الزيادات الكبيرة في التيار.
اكتشف الباحثون أن الإنديوم مادة واعدة بشكل خاص للبطاريات سريعة الشحن. الإنديوم هو معدن ناعم يستخدم بشكل أساسي في تصنيع طلاءات أكسيد القصدير الإنديوم لشاشات اللمس والألواح الشمسية.
يظهر بحث جديد أن الإنديوم له خاصيتين رئيسيتين باعتباره أنودًا للبطارية: حاجز طاقة منخفض للغاية للهجرة، والذي يحدد سرعة انتشار الأيونات في الحالة الصلبة، وكثافة تيار تبادل معتدلة، والتي ترتبط بسرعة تقليل الأيونات في الأنود. يعد الجمع بين هاتين الخاصيتين، الانتشار السريع وحركية التفاعل السطحي البطيء، أمرًا بالغ الأهمية للشحن السريع والتخزين طويل المدى.
وقال آرتشر: "الابتكار الرئيسي هو أننا اكتشفنا مبدأ التصميم الذي يسمح للأيونات المعدنية الموجودة على أنود البطارية بالتحرك بحرية والعثور على التكوين الصحيح قبل المشاركة في تفاعل تخزين الشحن". "النتيجة النهائية هي أن الأقطاب الكهربائية تكون في حالة مورفولوجية مستقرة خلال كل دورة شحن. وهذا هو السبب في أن بطارياتنا الجديدة سريعة الشحن قادرة على الشحن والتفريغ مرارًا وتكرارًا لآلاف الدورات."
وستعمل هذه التكنولوجيا، إلى جانب الشحن الاستقرائي اللاسلكي على الطريق، على تقليل حجم البطاريات وتكلفتها، مما يجعل النقل الكهربائي خيارًا أكثر قابلية للتطبيق للسائقين.
ومع ذلك، هذا لا يعني أن أنودات الإنديوم مثالية أو حتى عملية. وقال آرتشر: "على الرغم من أن هذه النتيجة مثيرة لأنها تخبرنا بكيفية الحصول على بطاريات سريعة الشحن، إلا أن الإنديوم ثقيل". "يوفر هذا فرصة لنمذجة الكيمياء الحاسوبية، ربما باستخدام أدوات الذكاء الاصطناعي التوليدي، لفهم المواد الأخرى خفيفة الوزن التي لها نفس الكيمياء." مثل هذا الرقم المنخفض من دامكلر. على سبيل المثال، هل هناك سبائك معدنية لم ندرسها من قبل ولها الخصائص المطلوبة؟ هذا هو المكان الذي أشعر فيه بالارتياح لوجود مبدأ عام في العمل يسمح لأي شخص بتصميم أنودات بطارية أفضل تحقق معدلات شحن أسرع من الأجهزة الحديثة."
المصدر المجمع: ScitechDaily