المادة الرواية التي تحدث ثورة في تخزين الطاقة

• قدم العلماء هياكل مختلطة اصطناعية مكونة من أغشية ثنائية وثلاثية الأبعاد غير معلقة للتعامل مع فقد الطاقة في المكثفات الحديدية المتحوّلة.
• المادة الجديدة تظهر كثافة طاقة تصل إلى 19 مرة أعلى من المكثفات المتاحة تجارياً مع تحقيق كفاءة تزيد عن 90٪.
• يترتب على هذا الاختراق آثار على الإلكترونيات من الجيل المقبل، والمركبات الكهربائية، وتطوير البنية التحتية، مقدماً حلاً لتخزين الطاقة عالية الأداء.

قدّم علماء جامعة واشنطن في سانت لويس مادة جديدة تعزز الابتكار في تخزين الطاقة الكهربائية الساكنة. تم بناء هذه المادة من خلال هياكل اصطناعية مكونة من أغشية ثنائية وثلاثية الأبعاد ذاتية الدعم تتميز بكثافة طاقة تصل إلى 19 مرة أعلى من الكباسات المتاحة تجارياً.

الكباسات الكهربائية الساكنة تلعب دوراً حاسماً في الإلكترونيات الحديثة. فهي تمكِّن من الشحن والتفريغ السريعين، وتوفر تخزين الطاقة والطاقة للأجهزة بدءاً من الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وجهاز التوجيه وصولاً إلى الأجهزة الطبية والإلكترونيات السيارات والمعدات الصناعية. ومع ذلك، فإن المواد الفيروكهلّية المستخدمة في الكباسات تعاني من فقدان طاقة كبير نتيجة لخصائصها المادية، مما يجعل من الصعب توفير إمكانية تخزين طاقة عالية.

في دراسة نشرت في علم، أخذ سانج-هون باي، أستاذ مساعد في الهندسة الميكانيكية وعلوم المواد في كلية الهندسة في جامعة واشنطن في سانت لويس، على عاتقه حل هذه التحديات المستمرة في استخدام المواد الفيروكهللية في تطبيقات تخزين الطاقة.

عمل باي وشركاؤه، بما في ذلك روهان ميشرا، أستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية وعلوم المواد، وتشوان وانج، أستاذ مشارك في الهندسة الكهربائية والأنظمة، كلاهما في جامعة واشنطن في سانت لويس، وفرانسيس روس، أستاذة في علوم وهندسة المواد في MIT، بأسلوب جديد للتحكم في وقت الاسترخاء - وهو خاصية داخلية للمادة تصف مدى الوقت الذي يحتاجه الشحن لتبديد أو انحسار - في كباسات الفيروكهلية باستخدام المواد ثنائية الأبعاد.

بالتعاون مع باي، قام الطالب الدكتوراه جاستن كيم والباحث بعد الدكتوراه سانغمون هان بتطوير هياكل ثنائية الأبعاد/ثلاثية الأبعاد/ثنائية الأبعاد جديدة يمكنها تقليل فقد الطاقة بينما تحافظ على الخصائص الميدانية المتقدمة للمواد الفيروكهللية ثلاثية الأبعاد. يقوم نهجهم بوضع طبقات رقيقة بين المواد ثنائية وثلاثية الأبعاد بعناية مع الروابط الكيميائية وغير الكيميائية المهندسة بين كل طبقة. يتم إدراج نواة ثلاثية الأبعاد رقيقة جداً بين طبقتين خارجيتين ثنائية الأبعاد لإنشاء تكديس يبلغ سمكه حوالي 30 نانومترًا. وهذا يعادل حوالي عشر الحجم القياسي لجسيم الفيروس.

“لقد أنشأنا هيكلًا جديدًا استندنا فيه إلى الابتكارات التي قمنا بها بالفعل في مختبري المتعلقة بالمواد ثنائية الأبعاد،” قال باي. “في البداية، لم نكن مركزين على تخزين الطاقة، لكن خلال استكشافنا لخصائص المواد، وجدنا ظاهرة فيزيائية جديدة تمكننا من تطبيقها على تخزين الطاقة، وذلك بشكل شديد الإثراء وربما أكثر فائدة.”

تم تصميم هياكل ثنائية الأبعاد/ثلاثية الأبعاد/ثنائية الأبعاد بدقة للجلوس في المكان المناسب بين التوصيلية وعدم التوصيلية حيث تتمتع المواد الشبه موصلة بخصائص كهربية مثالية لتخزين الطاقة. من خلال هذا التصميم، أبلغ باي وشركاؤه عن كثافة طاقة تصل إلى 19 مرة أعلى من كباسات الفيروكهلية المتاحة تجارياً، وتحقيق كفاءة تزيد عن 90%، وهو أمر غير مسبوق أيضًا.

وأوضح باي، “لقد اكتشفنا أنه يمكن تعديل أو تحفيز وقت التأرجح الكهربائي بفجوة صغيرة جدًا في هيكل المادة. هذه الظاهرة الفيزيائية الجديدة هي شيء لم نره من قبل. إنها تمكننا من تلاعب المادة الكهربائية بطريقة لا تقوم فيها بإستقطاب وفقدان القدرة على التخزين.”

بينما يتصارع العالم مع الضرورة القائمة بالانتقال نحو مكونات الإلكترونيات الجيل القادم، تمهد المادة الفيروكهللية المتنوعة الجديدة للأستاذ باي الطريق نحو أجهزة إلكترونية عالية الأداء، تشمل الإلكترونيات عالية الطاقة، وأنظمة الاتصالات اللاسلكية عالية التردد، ورقائق الدوائر المتكاملة. هذه التطورات أساسية بشكل خاص في القطاعات التي تتطلب حلولًا قوية لإدارة الطاقة، مثل السيارات الكهربائية وتطوير البنية التحتية.

“أساسًا، هذا الهيكل الذي قمنا بتطويره هو مادة إلكترونية جديدة,” قال باي. “لم نصل بعد إلى الأمثلية بنسبة 100%، ولكن بالفعل نحن نفوق ما يقوم به مختبرات أخرى. خطواتنا القادمة ستكون لجعل هذا الهيكل المادي أفضل حتى نتمكن من تحقيق الحاجة للشحن والتفريغ السريع والكثافات العالية للطاقة في الكباسات. يجب علينا أن نكون قادرين على القيام بذلك دون فقدان القدرة على التخزين خلال عمليات الشحن المتكررة من أجل رؤية انتشار هذه المادة على نطاق واسع في الإلكترونيات الكبيرة، مثل السيارات الكهربائية، وتقنيات التكنولوجيا الخضراء النامية الأخرى.”

**

تبدو هذه التقنية رائعة حقًا وباي يوجّه الكثير من الثقة من خلال تعليقاته التطلعية. أن تكون 100% أمثلية هو طريقة رائعة لدفع نحو تحسين تقني رئيسي. فكرة أن الإلكترونيات في أجهزتنا تستخدم إلكترونيات مئة في المئة أمثلية هو شيء مطمئن للغاية. حتى الآن نادراً ما نعرف ما يُدمر أجهزتنا، ولكن الكباسات والمقاومات والثنائيات مع الرغم من جودتها، إلا أنها بعيدة كل البعد عن أن تكون موثوقة بشكل كامل، وبشكل أساسي لا توجد أنظمة احتياطية مبرمجة في الأجزاء المستخدمة. نعم، هذه الأجزاء التي تكلف بنس سنتات يمكن أن تدمر جزءًا بقيمة مئات الدولارات.

إذن، أستاذ باي يحقق النجاح!! لعل تلك الأمثلية 100% التي لاحظتها تصبح معيارًا جديدًا للعديد من المنتجات والأجزاء المستخدمة في صنعها.

بقلم برايان ويستنهاوس عبر نيو إنيرجي أند فيويل

المزيد من القراءات المميزة من Oilprice.com:

• مشكلة التقاط الكربون لدى شركات النفط الكبرى
• من المتوقع أن تحافظ الاقتصاد العالمي القوي على استقرار أسعار النفط
• انخفاض مخزونات النفط الخام والبنزين في الولايات المتحدة