Janus MgAlB_2 MBene: a dipole-engineered anode for ultrafast Li-ion transport and exceptional lithium storage

العالم جائع لطرق أفضل لتخزين الطاقة. فبينما ننتقل من الوقود الأحفوري نحو مصادر مثل الرياح والشمس، نحتاج إلى بطاريات يمكنها احتواء المزيد من الكهرباء، والشحن بشكل أسرع، والاستمرار لفترة أطول دون أن تتعطل. إن قلب أي بطارية قابلة لإعادة الشحن هو "الأنود" (المصعد)، وهو المكون الذي يمتص أيونات الليثيوم أثناء الشحن. ولعقود من الزمن، اعتمدت الصناعة على الغرافيت لهذه المهمة لأنه موثوق، لكنه يمتلك حداً صارماً في كمية الطاقة التي يمكنه استيعابها. ويبحث العلماء باستمرار عن مواد جديدة يمكنها كسر هذا السقف. ويتضمن أحد المسارات الواعدة المواد ثنائية الأبعاد—وهي عبارة عن طبقات من الذرات رقيقة جداً لدرجة أنها تبدو مسطحة تماماً. ومن بين هذه المواد، أظهرت عائلة من المواد تسمى "إمبينز" (MBenes)، والمكونة من معدن وبورون، إمكانات كبيرة. ومع ذلك، تعاني العديد من هذه الصفائح المسطحة من عيب شائع: وهي أنها متماثلة تماماً، مما يحد من كمية الأيونات التي يمكنها حملها وسرعة حركة تلك الأيونات عبر سطحها.

اقترح فريق من الباحثين في المعهد الهندي للتكنولوجيا في باتنا حلاً ذكياً لمشكلة التماثل هذه. فقد صمموا شريحة جديدة بسمك ذرة واحدة تسمى "يانوس ماغنيسيوم ألومنيوم بوريد 2" (Janus MgAlB2). ويأتي اسم "يانوس" من الإله الروماني ذو الوجهين، مما يعكس البنية الفريدة للمادة حيث يتكون أحد جانبي الشريحة من ذرات المغنيسيوم بينما يتكون الجانب الآخر من ذرات الألومنيوم، مما يحصر طبقة من البورون في المنتصف. هذا التبديل البسيط لأحد المعادن بآخر يكسر التوازن المثالي للشريحة. وفي عالم الذرات، يخلق هذا عدم التوازن دفعة كهربائية دائمة، أو استقطاباً، يمتد من جانب واحد من الشريحة إلى الجانب الآخر. وقد استخدم الباحثون محاكاة حاسوبية قوية لمعرفة كيف ستتصرف هذه الشريحة غير المتماثلة كمصعد للبطارية، وتحديداً من حيث مدى قدرتها على جذب أيونات الليثيوم ومدى سرعة انتقال تلك الأيونات عبر السطح.

كشفت عمليات المحاكاة أن هذا التباين يغير كل شيء. فبسبب الاختلاف الكيميائي بين جانبي الشريحة، فإنها تخلق بيئة كهربائية متميزة تجذب أيونات الليثيوم بفعالية أكبر من النسخ المتماثلة القديمة لهذه المواد. ووجد الباحثون أن الشريحة الجديدة يمكنها استيعاب طبقتين كاملتين من أيونات الليثيوم في المجمل، في حين كانت الشائح المتماثلة القديمة لا تستطيع حمل سوى طبقة واحدة. وتعد هذه القدرة على تخزين طبقة مزدوجة من الأيونات قفزة نوعية، مما يسمح للمادة بحمل كمية نظرية من الطاقة تعادل 1470.24 مللي أمبير-ساعة لكل جرام. وهذا يمثل ضعف سعة المواد الأصلية تقريباً، ويتجاوز بكثير حدود الغرافيت المستخدم في معظم الأجهزة الحالية.

ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو سرعة حركة أيونات الليثيوم. ففي البطارية، السرعة هي كل شيء؛ فكلما زادت سرعة انتقال الأيونات، زادت سرعة شحن الجهاز. وقد حسب الباحثون أن أيونات الليثيوم تواجه مقاومة شبه معدومة أثناء حركتها على هذه الشريحة "يانوس". فحاجز الطاقة الذي يجب أن تتغلب عليه للانتقال من مكان إلى آخر منخفض للغاية، حيث قيس بـ 17.1 مللي إلكترون فولت فقط. ولوضع ذلك في السياق، فإن هذا المستوى من السهولة يسمح للأيونات بالتحرك بسرعة ملحوظة، مما يشير إلى معدل انتشار يبلغ 3.43×10⁻¹⁰ سنتيمتر مربع في الثانية عند درجة حرارة الغرفة. وهذا يضاهي أفضل المواد المعروفة حالياً ويتفوق بمراحل على الغرافيت القياسي، الذي يوفر مقاومة أكبر لحركة الأيونات.

كما درست الدراسة المتانة الفيزيائية للمادة. إذ تمثل مشكلة رئيسية في العديد من مواد البطاريات عالية السعة هي أنها تنتفخ وتتشقق عند امتصاص الليثيوم، مما يؤدي في النهاية إلى تفككها بعد بضع دورات شحن. وأظهرت عمليات المحاكاة أن شريحة "يانوس MgAlB2" مستقرة بشكل ملحوظ؛ فعندما تمتص أقصى كمية من الليثيوم، تتوسع في الحجم بنسبة 3.7 بالمائة فقط. ويعني هذا التغيير الضئيل أن المادة يمكنها على الأرجح تحمل آلاف دورات الشحن والتفريغ دون أن تفقد سلامتها الهيكلية. وقد أكد الباحثون أن الشريحة تظل مستقرة حتى عند تسخينها إلى درجات حرارة عالية، مما يشير إلى أنها لن تتفكك تحت الضغط الحراري لعمل تشغيل البطارية في العالم الحقيقي.

من خلال كسر التماثل في شريحة المعدن والبورون القياسية، نجح الباحثون في ابتكار مادة ليست أقوى وأكثر استقراراً فحسب، بل قادرة أيضاً على تخزين طاقة أكبر بكثير والشحن بسرعة أكبر بكثير. إن المجال الكهربائي الجوهري الناتج عن عدم تطابق جانبي المغنيسيوم والألومنيوم يعمل كدليل، يجذب المزيد من الليثيوم ويساعده على التحرك بسرعة عبر السطح. وبينما تأتي هذه النتائج من نماذج حاسوبية ولم يتم بناؤها بعد في مختبر فيزيائي، فإن النتائج تشير إلى مسار واضح للمضي قدماً في تصميم الجيل القادم من البطاريات عالية الأداء. إن هذا العمل يثبت أن تغييراً بسيطاً في الترتيب الذري يمكن أن يحل مشكلات معقدة في تخزين الطاقة، مما يقدم مخططاً لمواد يمكنها يوماً ما تشغيل المركبات الكهربائية والإلكترونيات المحمولة بسرعة وسعة غير مسبوقة.