نقطة مستقبل التكنولوجيا جائزة نوبل في الكيمياء: كيف غير مخترعو بطارية أيون الليثيوم العالم؟

جائزة نوبل في الكيمياء: كيف غير مخترعو بطارية أيون الليثيوم العالم؟

يتقاسم مايكل ستانلي ويتينهام وجون بانيستر جودينو وأكيرا يوشينو جائزة نوبل في الكيمياء لهذا العام، لمساهماتهم في تقنية بطارية أيون الليثيوم (LIB).

يعكس قرار منح هذه الجائزة لأكثر من شخص بشكل صحيح حقيقة أن هذه التكنولوجيا لم تظهر على الفور خارج المختبر المحصن لعبقري فردي، بل هي تاريخ من الحل المنهجي للمشكلات.

بطاريات أيون الليثيوم كان لها تأثير كبير على مجتمعنا.

منحت لجنة نوبل للكيمياء الجائزة للعلماء الثلاثة؛ لتطويرهم بطارية أيون الليثيوم، التي كان لها استخدامات كثيرة.

وذلك في تطوير الهواتف المحمولة وتنظيم ضربات القلب، فضلًا عن إمكانية إعادة شحن هذه البطاريات واستخدامها.

وتتيح هذه البطاريات النقل النظيف ومنخفض الكربون، سواء كان ذلك عن طريق السيارات الكهربائية

أو حتى سيارات الأجرة الطائرة، وتخزين الطاقة المتجددة على نطاق الشبكة.

يعود نجاح هذه البطاريات إلى طريقة عملها

تطلق خلية البطارية الطاقة من تفاعل كيميائي على شكل كهرباء.

إذا كان التفاعل الداخلي قويًا، فإن هذا ينتج جهدًا عاليًا.

وإذا كانت المواد الموجودة في الخلية لا تتطلب مساحة كبيرة وليست ثقيلة جدًا أيضًا، فهذا يمنحها كثافة طاقة عالية من حيث الحجم والوزن.

الليثيوم عنصر شديد التفاعل وأخف معدن في الجدول الدوري ضمن عناصر الدورة الثانية، لذلك فهو يحدد كلا المربعين.

هذا هو السبب في أن بطاريات الليثيوم أصبحت بسرعة جزءًا مهمًا من الإلكترونيات بعد تسويقها في أوائل التسعينيات.

يعد استخدام الليثيوم لتخزين الطاقة الكهروكيميائية أمرًا لا يحتاج إلى تفكير.

لكن هذا التفاعل الشديد الذي يعزز محتوى الطاقة يجعل من الصعب جدًا أيضًا بناء خلية يمكن الاحتفاظ بها بأمان في حالة مشحونة،

واستنزاف طاقتها عبر التيار الكهربائي، ثم إعادتها إلى الحالة المشحونة فقط عن طريق تغذية هذا التيار مرة أخرى.

أول بطارية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن.

اتخذ Whittingham فرصة في وقت مبكر، في 1970s، من خلال تطوير وتسويق (عبر Exxon) أول بطارية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن.

واعتمد على مركب ثنائي كبريتيد التيتانيوم (TiS₂)، والذي لا يقوم فقط بتوصيل الكهرباء ولكن يمكنه أيضًا استضافة الليثيوم في شبكته البلورية.

إذا تم وضع قطعة من الليثيوم بجوار قطعة من TiS في مادة تعرف باسم الإلكتروليت،

فإن المعدن سوف يذوب وتتحرك جزيئات الليثيوم المشحونة المعروفة باسم أيونات الليثيوم تلقائيًا وتبقى في TiS.

في الوقت نفسه، يتم نقل الإلكترونات من معدن الليثيوم (القطب السالب) إلى TiS₂ (القطب الموجب)، مما يسمح لنا بسحب تيار من البطارية.

أثناء عملية إعادة الشحن، ينعكس التيار ويجبر الليثيوم على الخروج من TiS والعودة إلى الرواسب المعدنية.

لكن إحدى خصائص الليثيوم هي ميله إلى تكوين الإبر والتشعبات (الهياكل المتفرعة الطويلة) أثناء عملية إعادة الشحن هذه.

يمكن أن يتسبب ذلك في حدوث دوائر قصر داخلية، مما جعل الجيل الأول من بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن غير آمنة بطبيعتها.

أكسيد الكوبالت الليثيوم بديلاً أفضل لـ TiS في بطاريات الليثيوم

اكتشف Goodenough في الثمانينيات أن أكسيد الكوبالت الليثيوم كان بديلاً أفضل لـ TiS في بطاريات الليثيوم.

تحتوي هذه المادة على الليثيوم ولكنها أقل تفاعلًا مع بيئتها وبالتالي يسهل التعامل معها في عملية التصنيع.

أصبح أكسيد الكوبالت الليثيوم المادة “الأب” لمعظم LIBs التجارية الحديثة وعمل الأجيال الأولى من الهواتف المحمولة.

اليوم، حتى الأقطاب الكهربائية المتطورة عالية الطاقة – مثل NMC 811 –

التي تعزز نطاق الجيل القادم من المركبات الكهربائية مصنوعة أساسًا من أكسيد الكوبالت الليثيوم

مع استبدال الكوبالت إلى حد كبير بالنيكل والمنغنيز في بنية بلورية مماثلة.

مناجم الكوبالت نادرة وغالبًا ما ترتبط بظروف العمل السيئة، لذلك هناك ميزة إضافية تتمثل في القدرة على تجنب استخدام هذا المعدن.

ثم في أواخر الثمانينيات من القرن الماضي، بنى يوشينو أول بطارية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن تجاريًا والتي تستخدم الجرافيت بدلاً من الليثيوم المعدني كقطب سالب.

في هذه العمارة، المستخدمة أيضًا في الخلايا الحديثة، ينتقل الليثيوم بين بنيتين مضيفتين مختلفتين:

أكسيد الكوبالت الليثيوم والجرافيت.

وهذا (من حيث المبدأ) يزيل الليثيوم المعدني وبالتالي لا تحصل على تكوين التغصنات.

يعود الفضل أيضا لـ Yoshino في تطوير البنية التي مكنت من استخدام الإلكتروليتات العضوية،

مما يوفر جهدًا أكبر من ضعف تلك التي تحتوي على إلكتروليتات تقليدية قائمة على الماء.

لكن الموصلية الضعيفة للإلكتروليتات العضوية تعني أن الأقطاب الموجبة والسالبة يجب أن تكون رفيعة وموضوعة بالقرب من بعضهما البعض.

وجد يوشينو طرقًا لطلاء مواد الإلكترود النشطة على رقائق معدنية رفيعة، وتمكن من فصل الأقطاب الموجبة والسالبة بشبكة رفيعة.

بهذه الطريقة فقط يمكن للجيل الأول من LIBs التنافس مع الطاقة وأداء الطاقة لبطاريات هيدريد معدن النيكل التي هيمنت على الإلكترونيات المحمولة في أوائل التسعينيات.

النجاح المشترك

شارك Goodenough و Yoshino بالفعل في جائزة Charles Stark Draper لعام 2014،

والتي ذهبت أيضًا إلى رشيد Yazami و Yoshio Nishi.

هذان الاثنان يعود إليهما الفضل في النتائج التي توصلوا إليها والاختراعات التي مكنت من استخدام أقطاب الجرافيت والتي جلبت LIBs إلى السوق الشامل، على التوالي.

كان لنجاح بطاريات الليثيوم أيضًا بعض المساعدين غير المباشرين الذين يجب تذكرهم في ضوء تسويق التكنولوجيا المستقبلية.

في التسعينيات، مكنت الإلكترونيات الدقيقة الحديثة من توحيد كاميرات الفيديو ومسجلات الأشرطة في جهاز واحد.

فجأة، أصبح وزن البطارية وطول عمرها يمثلان اختناقات في تصميم المنتج في سوق متنامية مربحة، مما أدى إلى زيادة الطلب على هذه البطاريات.

في الوقت نفسه، تسببت الأقراص المضغوطة وأقراص DVD القابلة لإعادة الكتابة في بداية نهاية استخدام أشرطة الصوت والفيديو.

لكن عمليات الطلاء والآلات المستخدمة لبناء أول LIBs تم تكييفها من تصنيع الشريط المغناطيسي.

لذلك ليس من الواضح ما إذا كانت LIBs ستنجح بدون خبرة التصنيع الموجودة مسبقًا.

يتمثل التحدي الأخير في توسيع نطاق الإنتاج الضخم في بطاريات الليثيوم من الإلكترونيات المحمولة إلى أسواق السيارات والطاقة،

وهذا يتطلب جهودًا عالمية متضافرة.

يجب أن يكون الحائزون على جائزة نوبل الثلاثة المستحقين سعداء بالتأكيد لرؤية ثمار عملهم تلهم مشاريع بحثية مثل “JCESR” و “بطاريات 2030+” ومؤسسة فاراداي.

المصدر

Avatar
محمد
مترجم من اللغة الإنجليزية والفرنسية والإسبانية، متخصص في المقالات العلمية والسياحية والطبية والتقنية، أفخر بكوني ضمن فريق مجلة نقطة العلمية