العلماء يطورون أصغر بطارية في العالم: بحجم حبة الرمل
طور فريق بحثي من جامعة كيمنتس للتكنولوجيا (CUT) أصغر بطارية في العالم، وهي أصغر من ذرة الغبار.
لماذا يوجد طلب مفاجئ على بطارية أصغر؟
نظرًا لأن أجهزة الكمبيوتر تصبح أصغر وأصغر، وتوفر الهواتف المحمولة قوة حوسبة مماثلة لتلك الموجودة في الكمبيوتر المحمول، فإن الاتجاه نحو التصغير آخذ في التوسع.
تتطلب تطبيقات الغبار الذكية (أو الأجهزة الإلكترونية الدقيقة)، مثل أنظمة الاستشعار المتوافقة حيوياً في الجسم، أجهزة كمبيوتر وبطاريات أصغر من ذرة الغبار حتى تعمل.
Unitl الآن، تم إعاقة هذا التطور من قبل عاملين رئيسيين: عدم وجود مصادر طاقة على الرقاقة للتشغيل في أي وقت وفي أي مكان، وصعوبات إنتاج بطاريات ميكروية قابلة للتكامل.
كيف يمكن تصحيح هذه القضايا؟
في العدد الأخير من المجلة المرموقة: Advanced Energy Materials ، العديد من العلماء، بما في ذلك الدكتور Oliver G. Schmidt – رئيس الأستاذية لأنظمة المواد من الإلكترونيات النانوية والمدير العلمي لمركز المواد والبنى وتكامل الأغشية النانوية (MAIN) في جامعة كيمنتس للتكنولوجيا – ناقش كيف يمكن تحقيق حل فيما يتعلق بهذين العاملين.
نظر الباحثون في كيفية تحقيق تطبيقات الغبار الذكية التي تعمل بالبطاريات في نطاق المليمترات الصغيرة، وتقديم أصغر بطارية في العالم، كنموذج أولي موجه للتطبيق.
قال الدكتور مينشين تشو، العالم المشمول في الدراسة: “تظهر نتائجنا أداءً مشجعًا لتخزين الطاقة على نطاق المليمتر المربع الفرعي”.
وأضاف الدكتور شميدت: “لا تزال هناك إمكانات هائلة لتحسين هذه التكنولوجيا، ويمكننا أن نتوقع بطاريات ميكروية أقوى بكثير في المستقبل.”
ما هي العمليات التي اعتبرها العلماء لإنشاء عملياتهم؟
لاحظ العلماء أن القدرة على تشغيل أجهزة كمبيوتر صغيرة بحجم أقل من المليمتر يمكن توفيرها من خلال تطوير بطاريات مناسبة أو طرق “حصاد” لتوليد الكهرباء.
في مجال “الحصاد”، تقوم المولدات الكهروحرارية الدقيقة بتحويل الحرارة إلى كهرباء، لكن طاقتها الإنتاجية منخفضة جدًا بحيث لا يمكنها تشغيل رقائق بحجم الغبار.
اكتشف الباحثون أن الاهتزازات الميكانيكية هي مصدر آخر للطاقة لتشغيل الأجهزة الصغيرة الحجم، وأن الخلايا الكهروضوئية الصغيرة التي تحول الضوء إلى طاقة كهربائية على رقائق صغيرة تحمل أيضًا إمكانات.
ومع ذلك، فإن المشكلة التي واجهها الباحثون في تطوير أصغر بطارية في العالم، هي أن الضوء والاهتزازات غير متوفرة في جميع الأوقات وفي جميع الأماكن، مما يجعل التشغيل عند الطلب مستحيلًا في غالبية البيئات.
هذا هو الحال أيضًا في جسم الإنسان، حيث تتطلب أجهزة الاستشعار والمحركات الدقيقة مصدر طاقة مستمر؛ البطاريات القوية والصغيرة ستحل هذه المشكلة.
بالإضافة إلى ذلك، يختلف إنتاج البطاريات الصغيرة اختلافًا كبيرًا عندما يتعلق الأمر ببناء البطاريات القياسية.
وذلك لأن البطاريات المدمجة ذات كثافة الطاقة العالية يتم تصنيعها باستخدام الكيمياء الرطبة. وهذا يعني أن مواد الإلكترود والمواد المضافة (مواد الكربون والمواد الرابطة) تتم معالجتها في ملاط ومغلفة بورق معدني.
يمكن للبطاريات الدقيقة التي يتم إنتاجها باستخدام مثل هذه التقنيات القياسية أن توفر طاقة جيدة وكثافة طاقة جيدة ولكن لها مساحة أكبر بكثير من ملليمتر مربع واحد.
علاوة على ذلك، يتم استخدام الأغشية الرقيقة المكدسة، أو أعمدة الأقطاب الكهربائية، أو الأقطاب الكهربائية الدقيقة المتداخلة، لتصنيع البطاريات على الرقاقة.
ومع ذلك، فإن هذه التصميمات غالبًا ما تعاني من تخزين أقل للطاقة، ولا يمكن تقليل مساحة هذه البطاريات إلى أقل من ملليمتر مربع واحد.
كيف تم تطوير هذه التكنولوجيا؟
كان هدف البروفيسور شميدت والدكتور تشو وفريقهم البحثي هو تصميم بطارية يقل عرضها بشكل ملحوظ عن ملليمتر مربع واحد وقابلة للتكامل على شريحة، والتي لا تزال تحتوي على حد أدنى من كثافة الطاقة يبلغ 100 ميكرو واط في الساعة لكل سنتيمتر مربع.
ولتحقيق ذلك، قام الفريق بتجميع مجمعات التيار وشرائط الأقطاب الكهربائية بالمقياس المجهري – وهي عملية مماثلة تستخدمها تسلا أيضًا على نطاق واسع لتصنيع البطاريات لسياراتها الإلكترونية.
استخدم الباحثون عملية “الأوريجامي المصغر”، وهي نظام متعدد الطبقات مع توتر متأصل يتم إنشاؤه عن طريق طلاء طبقات رقيقة من المواد البوليمرية والمعدنية والعازلة على التوالي على سطح رقاقة.
تم تحرير التوتر الميكانيكي عن طريق تقشير الطبقات الرقيقة، والتي يتم قطعها تلقائيًا مرة أخرى لتتحول إلى بنية “سويس رول” (الأوريجامي الصغيرة).
وبالتالي، لم تكن هناك حاجة إلى قوى خارجية لإنشاء بطارية صغيرة ذات أسطوانة ذاتية الجرح. تتوافق هذه الطريقة مع تقنيات تصنيع الرقائق المعمول بها وهي قادرة على إنتاج بطاريات دقيقة عالية الإنتاجية على سطح رقاقة.
باستخدام هذه الطريقة، أنتج فريق البحث بطاريات ميكروية قابلة لإعادة الشحن يمكنها تشغيل أصغر البطاريات في العالم لمدة عشر ساعات تقريبًا.
خلص الفريق إلى أن هذا الخلق عبارة عن بطارية صغيرة ذات إمكانات كبيرة لمستشعرات إلكترونية دقيقة ومتناهية الصغر في المستقبل، وتقنيات المشغل في مجالات مثل إنترنت الأشياء، والغرسات الطبية المصغرة، وأنظمة الروبوتات الدقيقة، والإلكترونيات فائقة المرونة.
المصدر: innovationnewsnetwork
إقراء ايضا:
