تمكّن باحثون من جامعة ساراتوف الحكومية الروسية من تطوير مادة جديدة قد تُحدث تحسّنات جوهرية في أداء البطاريات، بحسب بيان صادر عن الجمعية الروسية للعلوم. وباستخدام النمذجة الحاسوبية، توصل العلماء إلى مادة تسمح بتسريع عملية شحن البطاريات الحديثة بمقدار 1.5 مرة، وزيادة سعتها بما يصل إلى خمسة أضعاف، مع الحفاظ على استقرارها في بيئات درجات حرارة متطرّفة.
وأفاد البيان أن المادة الجديدة ستمكّن من تطوير أنظمة تغذية أكثر تطورًا للهواتف الذكية والحواسب المحمولة والسيارات الكهربائية. المشكلة التي عالجتها الدراسة تتعلق بالتوازن بين سرعة الشحن والسعة: فعمليات تخزين واستهلاك الشحنة في البطاريات الحديثة عمليتان متعاكستان ترتبطان بحركة أيونات الليثيوم داخل البطارية، لذلك تعتمد سرعة الشحن على سرعة عبور هذه الجسيمات بين الأقطاب، بينما تعتمد السعة على كمية أيونات الليثيوم التي يمكن تخزينها.
المواد التقليدية التي تعمل كـ”مستودع” للشحنة تتمتع عادة بسعة عالية، لكنها حساسة تجاه درجات الحرارة المنخفضة أو المرتفعة جدًا. بالإضافة إلى ذلك، تفقد مواد الأقطاب القائمة على أكسيد الكوبالت مع الليثيوم (LiCoO₂) خصائصها مع تكرار عمليات الشحن والتفريغ، وهو ما يفسر سبب انتفاخ بعض الهواتف الذكية ونفاد طاقتها بسرعة بعد سنوات من الاستخدام.
لحل هذه المعضلة، اقترح باحثو جامعة ساراتوف إضافة الغرافين – وهي مادة كربونية يمكن تمديدها إلى طبقة بسماكة ذرة واحدة – إلى مادة القطب الموجب في البطاريات. باستخدام المحاكاة الحاسوبية، اكتشف الفريق أن تناوب طبقات الغرافين وأكسيد الكوبالت مع الليثيوم ينتج مادة أكثر كفاءة للبطاريات.
تبين للعلماء أن البنية المثلى للمادة الجديدة هي تلك التي تكون فيها نسبة أكسيد الكوبالت مع الليثيوم إلى الغرافين 8 أضعاف من حيث الكتلة. هذه البنية توفر حركة أسرع لأيونات الليثيوم بمقدار 1.6 مرة مقارنة بأكسيد الكوبالت النقي، مما يعني شحنًا أسرع بكثير. كما ارتفعت السعة الكلية للمادة بأكثر من خمسة أضعاف، ولم تنخفض حتى عند تبريدها إلى 40 درجة مئوية تحت الصفر أو تسخينها إلى 80 درجة مئوية فوق الصفر.
تُضاف هذه النتيجة إلى جهود بحثية روسية أخرى في مجال البطاريات. فقد ابتكر علماء في مؤسسة “روساتوم” تقنية إلكتروليت جديدة تسمح بتشغيل البطاريات في درجات حرارة منخفضة جدًا تصل إلى 60 درجة مئوية تحت الصفر، واجتازت التقنية الاختبارات الأولية بنجاح.
وفي مجال الطاقة الشمسية، ابتكر فريق من جامعة بيرم الوطنية للبحوث التقنية، بالتعاون مع مؤسسات علمية روسية، أربع مواد بوليمرية جديدة لخلايا الطاقة الشمسية من نوع البيروفسكايت. كما أعلنت مؤسسة “روس آتوم” الروسية أن خبراءها طوروا تقنية جديدة لإنتاج كوبالتات الليثيوم، المادة الأساسية المستخدمة في صناعة البطاريات عالية القدرة.