طور الباحثون في جامعة سوانسي والمتعاونون معهم طريقة قابلة للتطوير لإنتاج مجمعات تيار الجرافين خالية من العيوب، مما يحسن بشكل كبير سلامة وأداء بطاريات الليثيوم أيون. تتميز رقائق الجرافين هذه بموصلية حرارية ممتازة ومتانة، مما يقلل من خطر الانفلات الحراري ويحسن كفاءة البطارية، خاصة في السيارات الكهربائية.
طور الباحثون طريقة قابلة للتطوير لإنتاج مجمعات كبيرة لتيار الجرافين يمكنها تحسين سلامة وأداء بطاريات الليثيوم أيون بشكل كبير. قام الباحثون في جامعة سوانسي، بالتعاون مع جامعة ووهان للتكنولوجيا وجامعة شنتشن، بتطوير طريقة مبتكرة لصنع مجمعات تيار الجرافين على نطاق واسع. ومن المتوقع أن يؤدي هذا الاختراق إلى تحسين سلامة وأداء بطاريات الليثيوم أيون (LIB) بشكل كبير، وبالتالي حل مشكلة رئيسية في تكنولوجيا تخزين الطاقة.
يشرح البحث المنشور في مجلة Nature Chemical Engineering تفاصيل أول مخطط ناجح لإنشاء رقائق جرافين خالية من العيوب على نطاق تجاري. تتمتع هذه الرقائق بموصلية حرارية استثنائية، تصل إلى 1,400.8Wm-1K-1، وهو ما يقرب من عشر مرات أعلى من مجمعات التيار التقليدية المصنوعة من النحاس والألومنيوم المستخدمة في LIBs.
وقال المؤلف الأول المشارك الدكتور روي تان من جامعة سوانسي: "هذه خطوة مهمة للأمام بالنسبة لتكنولوجيا البطاريات". "يمكّن نهجنا من إنتاج مجمعات تيار الجرافين على نطاق وجودة يمكن دمجها بسهولة في تصنيع البطاريات التجارية. وهذا لا يحسن سلامة البطارية من خلال الإدارة الفعالة للحرارة فحسب، بل يزيد أيضًا من كثافة الطاقة وعمر البطارية."
في تطوير بطاريات الليثيوم عالية الطاقة، وخاصة تلك المستخدمة في السيارات الكهربائية، فإن إحدى المشكلات الأكثر إلحاحًا هي الانفلات الحراري - وهي حالة خطيرة يؤدي فيها ارتفاع درجة الحرارة إلى فشل البطارية، مما يؤدي غالبًا إلى نشوب حريق أو انفجار. تم تصميم مجمعات تيار الجرافين هذه لتقليل هذا الخطر عن طريق تبديد الحرارة بكفاءة ومنع التفاعلات الطاردة للحرارة التي تؤدي إلى الهروب الحراري.
وأوضح المؤلف المشارك الأول الدكتور يانغ جين لونغ من جامعة شنتشن: "إن هيكل الجرافين الكثيف والمتماسك جيدًا يوفر حاجزًا قويًا أمام تكوين الغازات القابلة للاشتعال ويمنع الأكسجين من اختراق خلايا البطارية، وهو أمر بالغ الأهمية لتجنب الفشل الكارثي".
العملية المطورة حديثًا ليست ناجحة في المختبر فحسب، بل هي حل قابل للتطوير قادر على إنتاج رقائق الجرافين بأطوال تتراوح من بضعة أمتار إلى عدة كيلومترات. أنتج الباحثون رقائق الجرافين التي يبلغ سمكها 17 ميكرون وطولها 200 متر، مما يدل على إمكانات هذه العملية. تظل رقائق الجرافين موصلة بدرجة عالية بعد ثنيها 100000 مرة، مما يجعلها مثالية للاستخدام في الإلكترونيات المرنة والتطبيقات المتقدمة الأخرى.
ويمكن للطريقة الجديدة أيضًا إنتاج رقائق الجرافين بسماكات قابلة للتخصيص، مما يؤدي إلى بطاريات أكثر كفاءة وأمانًا.
يمكن أن يكون لهذا الابتكار تأثير عميق على تقنيات تخزين الطاقة المستقبلية، خاصة في السيارات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة حيث تعتبر السلامة والكفاءة أمرًا بالغ الأهمية. يواصل فريق بحث تعاوني دولي بقيادة البروفيسور ماي لي تشيانغ والبروفيسور هي دابينغ من جامعة ووهان للتكنولوجيا، والدكتور يانغ جين لونغ من جامعة شنتشن، والدكتور تان روي من جامعة سوانسي، تحسين عمليتهم، والعمل باستمرار على تقليل سماكة رقائق الجرافين، وزيادة تحسين خصائصها الميكانيكية، وبمساعدة فريق البروفيسور سيرينا ماجودونا في جامعة سوانسي، استكشاف تطبيقات هذه المادة الجديدة خارج بطاريات أيونات الليثيوم، مثل بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال. بطاريات أيون الصوديوم.
تم تجميعها من /ScitechDaily
دوى:10.1038/s44286-024-00103-8