سولارابيك، روسيا – 13 ديسمبر 2025: نجح باحثون من معهد “سكولتيك” للعلوم والتكنولوجيا في روسيا في إحداث خرق علمي بقطاع تخزين الطاقة، بابتكارهم مادة كاثود مُحسنة قلصت معدل تضاؤل سعة بطاريات الليثيوم-أيون لكل دورة شحن بنسبة تقارب 50%، مما يعالج إحدى أكبر المعضلات التي تواجه صناعة المركبات الكهربائية والأجهزة الإلكترونية الحديثة. واعتمد الفريق العلمي في على تطعيم المهابط الغنية بالنيكل (NMC9) بنسبة ضئيلة لا تتجاوز 0.5 % مولي من أكسيد التانتالوم (Ta_2O_5)، وهو ما مهد الطريق لإنتاج بطاريات أكثر أماناً ومتانة وقدرة على الاحتفاظ بالطاقة لفترات أطول، متجاوزين بذلك عقبات التدهور السريع التي تلازم البطاريات ذات كثافة الطاقة العالية.
هندسة التدرج التركيزي والنمذجة الرياضية
يكشف الفريق البحثي أن المعضلة الجوهرية في البطاريات الحديثة تكمن في اعتمادها على مهابط أوكسيد غنية بالنيكل لتخزين طاقة أكبر، ففي حين أن زيادة النيكل ترفع السعة، إلا أنها تسرع من تدهور البطارية نتيجة تشكل تشققات في جزيئات المادة أثناء عمليات الشحن والتفريغ المتكررة. ولمواجهة ذلك، طور الباحثون بنية “تدرج التركيز” (Concentration Gradient)، حيث يتركز النيكل في قلب جسيم المهبط ويتناقص تدريجياً نحو السطح، بينما يزداد تركيز مثبتات المنجنيز والكوبالت في الأطراف. ومن ناحية أخرى، تغلبت الدراسة على صعوبة إنشاء هذا التدرج الدقيق وتطوير طبقة سطحية مستقرة من خلال بناء نموذج رياضي متقدم؛ يتنبأ بكيفية تغير تركيز المعادن داخل تكتلات المهبط مع مراعاة الشكل الكروي ونصف قطر الجسيمات، وهو ما تم التحقق منه فعلياً عبر تخليق ثلاثة أنواع من الهياكل المتدرجة ومطابقتها للبيانات التجريبية.
“درع” التانتالوم النانوي وآلية الحماية
بالإضافة إلى ذلك، واجه العلماء تحدياً تقنياً يتمثل في الحفاظ على بنية التدرج تلك أثناء مرحلة التصنيع النهائية التي تتطلب درجات حرارة مرتفعة لعملية “الليثنة” (Lithiation)، مما دفعهم لاستخدام أوكسيد التانتالوم كعامل استقرار حاسم. وأظهرت التحليلات الدقيقة باستخدام حيود الأشعة السينية (PXRD) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) أن التانتالوم لا يكتفي بتطعيم البنية البلورية فحسب، بل ينفصل ليمتد بشكل فوقي (Epitaxial) على سطح البلورات الأولية مكوناً طبقة نانوية بسماكة 5 نانومترات تقريباً. كما أنه يعمل بفعالية على تثبيط الانتشار البيني للمعادن الانتقالية ومنع تضخم الجسيمات، مما يخلق سطحاً غنياً بالتانتالوم يعزز من عدم الانتظام الكاتيوني الهيكلي دون تشكيل أطوار منفصلة عند حدود الحبيبات، ليضمن بذلك استقراراً فائقاً للبطارية وأداءً طويل الأمد.
تابعونا على لينكيد إن Linked–in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر: interesting engineering
