على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون تحول أقل من 10% فقط من طاقتها إلى حرارة أثناء التشغيل، إلا أنه إذا لم يتم التحكم في هذه الحرارة بشكل فعال، فإنها ستؤدي إلى تسريع شيخوخة البطارية وحتى التسبب في الهروب الحراري والحرائق في الحالات القصوى. وفي تناقض حاد، فإن النظام الكهروكيميائي "غير الفعال" لدى البشر يولد حرارة كافية لغلي مئات أكواب الشاي يوميا، لكنه لا يزال قادرا على الحفاظ على درجة حرارة الجسم مستقرة. المفتاح يكمن في الجلد وآلية تبديد الحرارة الناتجة عن التعرق.مستوحاة من هذا، قام فريق بحث من جامعة سيتي في هونغ كونغ مؤخرًا بتطوير "فيلم تبريد من مركب نانوي متكيف يشبه الجلد" يسمح للبطاريات "بالتعرق والتبريد" مثل جلد الثدييات.
لسنوات عديدة، تم تجهيز جميع أنظمة بطاريات الليثيوم تقريبًا، بدءًا من الهواتف المحمولة وحتى السيارات الكهربائية، بأنظمة إدارة حرارية، بما في ذلك المراوح والمشتتات الحرارية ودوائر التبريد السائلة ومواد تغيير الطور، للحفاظ على درجة حرارة الخلية ضمن نطاق آمن. على الرغم من أن هذه الحلول ناضجة وفعالة، إلا أنها غالبًا ما تحتوي على هياكل معقدة، وتشغل مساحة، وتتطلب استهلاكًا إضافيًا للطاقة. يعتقد فريق البحث أن الطبيعة قد قدمت بالفعل حلاً فعالاً وأنيقًا، حيث يحقق جلد الثدييات تنظيمًا فعالاً للغاية لدرجة حرارة الجسم من خلال "التعرق + التبخر". إذا أمكن تصميم هذه الآلية وزرعها في البطارية، فمن المتوقع أن تؤدي في نفس الوقت إلى تحسين الأداء والسلامة وبساطة النظام.
ووفقا للتقارير، فإن طبقة التبريد الجديدة هذه تغطي سطح البطارية مثل "الجلد". وهو يتألف من مواد وظيفية مثل كلوريد الليثيوم (LiCl)، وأكسيد الجرافين (GO)، وألياف الكربون المنشط (ACF)، ومغلف في غشاء متعدد رباعي فلورو إيثيلين (PTFE) مسامي ومدعوم بإطار نحاسي. يحتوي كل مكون على تقسيم واضح للعمل: LiCl هو ملح شديد الاسترطاب يمكنه امتصاص وتخزين الرطوبة من الهواء عندما تكون درجة الحرارة منخفضة؛ يشكل أكسيد الجرافين شبكة موصلة حرارية فعالة، والتي تنشر بسرعة الحرارة الناتجة عن البطارية داخل الغشاء؛ يزيد الهيكل المسامي لألياف الكربون المنشط بشكل كبير من مساحة التبخر؛ يساعد الإطار النحاسي على توزيع الحرارة بالتساوي ويتجنب التشبع المحلي؛ يمنع الغشاء الخارجي PTFE تسرب المحلول بينما يسمح لبخار الماء بالمرور بحرية.
عندما تسخن البطارية، تمتص الرطوبة المخزنة في الغشاء الحرارة وتتبخر بسرعة، مما يؤدي إلى إبعاد الحرارة عن سطح البطارية، وهي عملية تعرف باسم "التبريد بالامتصاص". عندما تبرد البطارية، سيقوم الغشاء تلقائيًا بإعادة امتصاص الماء من الهواء المحيط، واستعادة "مخزون الرطوبة" الخاص به والاستعداد للجولة التالية من العمل. وأشار فريق البحث إلى أن خاصية امتصاص الرطوبة وإطلاقها التكيفية تسمح لفيلم التبريد بضبط حالته تلقائيًا في ظل ظروف عمل مختلفة وتحقيق دوران مستمر دون الحاجة إلى نظام تحكم خارجي.
أظهرت البيانات التجريبية أن طبقة التبريد التكيفية حققت متوسط قوة تبريد تبلغ 802.5 وات·م⁻² في اختبار إثبات المفهوم وخفضت درجة الحرارة بمقدار 34.3 درجة مئوية (حوالي 61.7 درجة فهرنهايت) عند كثافة تدفق حرارة عالية تبلغ 2.7 كيلو وات·م⁻². عند إجراء اختبارات الشحن والتفريغ عالية السرعة على بطارية ليثيوم أيون تجارية بقوة اسمية 3.7 فولت/12 أمبير، تم تمديد عمر دورة البطارية باستخدام طبقة التبريد هذه من 118 مرة إلى 233 مرة، وهو ما يتضاعف تقريبًا. وأشار الباحثون إلى أنه في ظل ظروف الحمل الحراري القوية القريبة من ظروف العمل الحقيقية للبطاريات عالية الأداء، لا يزال بإمكان المادة تحقيق تبريد يزيد عن 30 درجة مئوية، وهو ما يكفي لقمع تدهور الأداء ومخاطر السلامة بشكل كبير.
بالإضافة إلى قدرات التبريد، يتمتع الفيلم المركب النانوي أيضًا بخصائص مثبطة للهب ممتازة، مما يمنع بشكل فعال انتشار الانفلات الحراري في ظل الظروف التي قد تؤدي عادةً إلى الاحتراق. وفي الاختبارات، حافظ الغشاء على أداء مستقر لإدارة الحرارة بعد أكثر من 1000 ساعة من الاستخدام القاسي للدورة، مما أظهر متانة جيدة وقابلية للتكرار. والأهم من ذلك، أن النظام بأكمله يتم تبريده بشكل سلبي ولا يتطلب أي مصدر طاقة إضافي: سوف يقوم LiCl الموجود في الفيلم بإعادة امتصاص الرطوبة من الهواء تلقائيًا عندما تنخفض درجة حرارة البطارية، مما يؤدي إلى "شحن" تبديد الحرارة التالي.
"هدفنا هو تطوير حل سلبي ومدمج ومنخفض التكلفة وعملي للإدارة الحرارية يوفر قدرات تبريد قوية دون مدخلات طاقة خارجية، مع الأخذ في الاعتبار الموثوقية والسلامة أثناء التشغيل الفعلي للبطارية." قال رئيس المشروع الدكتور سوي Zengguang. نظرًا لهيكلها البسيط وحجمها الصغير، فإن طبقة التبريد هذه قابلة للتطوير بشكل كبير في التصميم ويمكن تكبيرها أو تقليل حجمها وفقًا للاحتياجات. ومن المتوقع أن يتم تطبيقه في كل شيء بدءًا من الأجهزة الإلكترونية المحمولة وحتى بطاريات السيارات الكهربائية الكبيرة.
ومع ذلك، يذكر فريق البحث أيضًا أن هذه التقنية حاليًا أكثر ملاءمة للسيناريوهات التي يتغير فيها الحمل الحراري بشكل متقطع أو دوري. في ظل ظروف كثافة التدفق الحراري العالية المستمرة، ستكون قدرة التبريد محدودة لأن المادة تحتاج إلى وقت لتبرد وتعيد امتصاص الرطوبة. بمعنى آخر، يعد هذا حل تبريد سلبيًا مناسبًا تمامًا "للعمل المتقطع عالي الطاقة"، بدلاً من حل مقاس واحد يناسب الجميع لبيئات الحرارة الشديدة المستمرة.
وعلى الرغم من أنها لا تزال في مرحلة مبكرة نسبيًا وتتطلب المزيد من البحث والتطوير والتحقق قبل التصنيع الكامل، إلا أن الباحثين متفائلون جدًا بشأن آفاقها. وهم يعتقدون أن هذه التكنولوجيا جذابة للغاية لأي سيناريو خفيف الوزن وصغير الحجم ولا يتطلب مصدر طاقة إضافي ولكنه يتطلب "قدرة تبريد كبيرة"، خاصة في المجالات الحساسة للغاية لقيود الوزن والتعبئة، مثل الروبوتات البشرية والطائرات بدون طيار. تم نشر الورقة البحثية ذات الصلة في مجلة "ACS Nano"، كما تم الكشف عن المزيد من التفاصيل الفنية التفصيلية في المقالة.