اكتشاف ثوري يفكّ شيفرة الشحن السريع للبطاريات

توصل باحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) إلى اكتشاف علمي قد يحدث نقلة نوعية في سرعة شحن البطاريات التي تشغّل الأجهزة الإلكترونية والسيارات الكهربائية.

وتعد بطاريات أيونات الليثيوم اليوم العمود الفقري لتقنيات الطاقة الحديثة، إذ تُستخدم في تشغيل الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والمركبات الكهربائية. وتعتمد هذه البطاريات على حركة جزيئات دقيقة تسمى "أيونات الليثيوم" داخل الأقطاب الكهربائية الصلبة وخارجها، وهي عملية تتكرر آلاف المرات طوال عمر البطارية. وتتحكم سرعة هذا التفاعل في مدى سرعة الشحن وكمية الطاقة التي يمكن للبطارية تخزينها.

وعلى الرغم من عقود من التطوير، ظل تحسين أداء هذه البطاريات يعتمد بدرجة كبيرة على التجربة والخطأ، إذ لم تستطع النظريات التقليدية – التي تعود جذورها إلى أكثر من مئة عام – تفسير سبب التفاوت في أداء المواد المستخدمة داخل البطاريات.

لكن فريق MIT كشف أن المفتاح الحقيقي يكمن في آلية تعرف بـ "نقل الأيونات والإلكترونات المقترنة"، حيث لا تنتقل أيونات الليثيوم بكفاءة نحو القطب الكهربائي إلا عندما ترافقها الإلكترونات في الوقت نفسه، وهو ما يفسر النتائج المتباينة التي لاحظها الباحثون سابقا.

وقال البروفيسور مارتن بازانت، أستاذ الرياضيات في MIT: "نأمل أن يتيح هذا الاكتشاف تسريع التفاعلات وضبطها بدقة أكبر، ما يساهم في رفع سرعة الشحن والتفريغ".

ولإثبات نظريتهم، قاس الباحثون معدلات التفاعل في أكثر من خمسين مادة مختلفة، بينها مواد تُستخدم في الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية، ليكتشفوا أن النموذج التقليدي بالغ في تقدير سرعة العملية، في حين قدّمت النظرية الجديدة تفسيرا أكثر دقة واتساقا مع البيانات الواقعية.

كما وجد الفريق أن تعديل الإلكتروليت السائل داخل البطارية — مثل تغيير بعض مكوناته الكيميائية — يمكن أن يحسّن بشكل كبير من سرعة الشحن ويقلل التآكل الذي يحدّ من عمر البطارية.

وأكد بازانت أن هذه النتائج قد تزوّد الشركات المصنعة بإطار نظري واضح لتصميم البطاريات بطريقة علمية قائمة على الفهم، بدلا من التجارب المكلفة.

ومن جانبه، أوضح البروفيسور يانغ شاو هورن أن هذا العمل "يوحّد سنوات من النتائج المتضاربة في نموذج واحد متكامل".

نشرت الدراسة في مجلة Science.

المصدر: إندبندنت