أعلن باحثون في الصين عن تصميم جذري لبطارية من معدن الصوديوم (SMB) يمكن شحنها بالكامل خلال أربع دقائق فقط وستحتفظ بقدرتها لسنوات من الاستخدام.
والبطاريات الصغيرة والمتوسطة هي شكل من أشكال البطاريات المستقرة فائقة السرعة التي يقول العلماء إنها يمكن أن تكون في يوم من الأيام بديلاً رخيصًا لبطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) الحالية، والتي تعتمد على معادن مركزة جغرافيًا وتشتعل فيها النيران بسهولة. تختلف الشركات الصغيرة والمتوسطة أيضًا عن بطاريات أيون الصوديوم (Na-ion) من حيث أنها تستخدم أنود الصوديوم المعدني بدلاً من أنود الجرافيت أو الكربون الصلب.
ومع ذلك، تظل الشركات الصغيرة والمتوسطة نظرية إلى حد كبير لأنها عرضة لنوع من التدهور المعروف باسم تكوين التغصنات. يحدث هذا عندما تترسب أيونات الصوديوم التي تمر عبر القطب الكهربائي على أنود الصوديوم المعدني النقي شديد التفاعل في هياكل شائكة تشبه الصواعد. بمرور الوقت، يشكل هذا جسرًا بين الكاثود والأنود، مما يؤدي إلى قصر دائرة البطارية.
يعد تكوين التغصنات شائعًا بشكل خاص في بطاريات الصوديوم لأن الصوديوم معدن شديد التفاعل. عندما يمر الشحن عبر بطارية ليثيوم أيون، أو أيون الصوديوم، أو بطارية معدن الصوديوم، يتفاعل الأنود دائمًا مع الإلكتروليت لتشكيل طبقة أكسيد تعرف باسم SEI. يتراوح سمك هذا عادةً من 10 إلى 50 نانومترًا تقريبًا واسعة مثل فيروس صغير – ولكنها غير ضارة بشكل عام. ولكن مع الصوديوم، غالبًا ما يتشقق SEI، مكونًا نتوءات تجذب أيونات الصوديوم، التي تتراكم في التشعبات.
الآن، يقول الباحثون إنهم حلوا هذه المشكلة باستخدام إلكتروليت هلامي قوي وشبه صلب – يُطلق عليه اسم Sn-FB QSE – والذي يقوي البطارية ضد الثقوب ويوفر بنية داخلية شبه صلبة تمنع تكوّن التشعبات. وقد أوجزوا النتائج التي توصلوا إليها في دراسة نشرت في 21 مايو في المجلة رسائل نانو مايكرو.
ولتأكيد طول عمر هذا النهج، قام العلماء بشحن البطارية وتفريغها لأكثر من 6000 ساعة دون أن تؤدي التشعبات إلى قصر دائرة البطارية. وأشاروا أيضًا إلى أنه عندما قاموا بشحن البطارية من صفر إلى 100% من سعتها في أربع دقائق فقط، احتفظت بالشحنة الكهربائية، والتي تم قياسها بالمللي أمبير-ساعة لكل جرام (مللي أمبير-ساعة لكل جرام).-1) من 80.1. وهذا يعادل حوالي نصف الكمية الموجودة في بطاريات الليثيوم أيون.
عند شحنها بمعدل أبطأ قليلاً من صفر إلى 100% خلال 20 دقيقة، احتفظت البطارية بنسبة 90% من سعة الشحن على مدى 2000 دورة – وهو ما يتوافق مع الحدود النظرية لبطاريات الليثيوم أيونوقال العلماء في الدراسة. أدت هذه السرعة الأبطأ إلى خفض التكلفة وتحسين السلامة.
احصل على الاكتشافات الأكثر روعة في العالم والتي يتم تسليمها مباشرة إلى صندوق الوارد الخاص بك.
وهذا أمر ملحوظ لأن العلماء حققوا ذلك في البطارية الجديدة مع استمرار شحنها بشكل أسرع من بطاريات Li-ion التي يمكن شحنها. وهذا أمر مهم لأن سرعة الشحن تظل نقطة شائكة لنشر البطارية في السيارات الكهربائية (EVs). أسرع سيارة كهربائية شحن اليوم هي BYD Denza، والتي يقول صانع السيارات الصيني يمكن أن ترتفع من 10-70% في خمس دقائق فقط. لكن هذا يتطلب أجهزة شحن خاصة بقدرة 1 ميجاوات متخصصة للغاية.
يتم شحن معظم المركبات الكهربائية بشكل أبطأ بكثير — يقول ممثلو تسلا يمكن لطرازها 3 إعادة الشحن بنسبة تتراوح من 10 إلى 70% في حوالي 15 دقيقة باستخدام أجهزة الشحن السريعة الخاصة بشركة Tesla بقدرة 250 كيلووات، لكن ممثلين عن منصة توجيه السيارات الكهربائية يقول زاب ماب وستستغرق نفس السيارة 90 دقيقة لشحنها بنسبة 80% باستخدام شواحن بقدرة 50 كيلوواط.
وفي الواقع، فإن معظم البطاريات المستخدمة في التقنيات الحديثة، مثل الهواتف الذكية والمركبات الكهربائية، هي من نوع Li-ion. ومع ذلك، فإن إنتاج بطاريات الليثيوم أيون باهظ الثمن لأنها تحتوي على معادن الليثيوم والكوبالت التي يصعب الحصول عليها، كما أنها عرضة للاشتعال.
يتطلع مصنعو البطاريات على نحو متزايد إلى جلب بطاريات Na-ion إلى النطاق التجاري لأنها أرخص وأكثر أمانًا. ومع ذلك، فهي أثقل وأكبر من بطاريات Li-on.
الشركات الصغيرة والمتوسطة هي محور البحث المكثف لأنها تجمع نظريًا بين أفضل أنواع البطاريات. نظرًا لأن الشركات الصغيرة والمتوسطة تستخدم أنود الصوديوم، بدلاً من بطاريات Na-ion التي تستخدم الجرافيت أو أنود الكربون الصلب، فهي أخف وزنًا وأرخص في الإنتاج وبالتالي أكثر قابلية للمقارنة مع Li-ion من حيث الحجم والوزن. كما أنها أكثر أمانًا لأنها تعمل باستخدام أيونات الصوديوم، وهي كبيرة الحجم ولا يمكنها التدفق إلى الشقوق الموجودة في جدار البطارية بسرعة كافية للتسبب في الهروب الحراري. هذا هو التفاعل المتسلسل الذاتي الذي يتسبب في اشتعال البطاريات عند تلفها.
وقال العلماء إنه إذا أمكن حل مشكلات تكوين التشعبات والاستقرار في درجات حرارة منخفضة، وتكرارها وتوسيع نطاقها، فيمكن للشركات الصغيرة والمتوسطة إعادة تشكيل اقتصاديات نشر البطاريات على مدى العقد المقبل.
يعتقد العلماء أن الشركات الصغيرة والمتوسطة يمكن أن تكون خيارات ممتازة للسيارات الكهربائية في وسائل النقل العام أو داخل سيارات الركاب، لأنه على الرغم من أن نطاقاتها أقل من مركبات Na-ion وLi-ion، إلا أنها يتم شحنها بشكل أسرع. ومع ذلك، فإنها لن تكون متاحة لبعض الوقت، سواء في المركبات أو الأجهزة الصغيرة مثل الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.
وذلك لأن الأجهزة مثل الهواتف الذكية تخضع لتغيرات قاسية في درجات الحرارة مما يؤثر على الكيمياء الداخلية للبطاريات التي تعتمد على الشوارد الهلامية. يجب أولاً تكرار البحث قبل أن يشعر المصنعون بالارتياح باستخدام معدن الصوديوم النقي بدلاً من تكوينات الجرافيت المفهومة جيدًا.
Zhang, Y., Pan, L., Leong, CW, Qi, X., Huang, X., Cai, X., Cao, M., Gao, M., Zhang, H., Sha, D., Zhou, Y., & Sun, Z. (2026). يعمل الوسطاء المتشابكون المزدوجون على تمكين إلكتروليتات الحالة الصلبة شبه الصلبة أحادية الأيونات من أجل بطاريات معدن الصوديوم فائقة السرعة وطويلة العمر. رسائل نانو مايكرو, 18(1). https://doi.org/10.1007/s40820-026-02236-2
مرتبط
اكتشاف المزيد من موقع مدسن medicine
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
