3D printed cement-based Li-ion batteries with hydration-reinforced networks
تقدم هذه الدراسة استراتيجية قابلة للتوسع للطباعة ثلاثية الأبعاد لبطاريات الليثيوم أيون القائمة على الأسمنت، والتي تستخدم شبكات معززة بالتميؤ لتحقيق أقطاب كهربائية مسامية هرمياً ومتينة ميكانيكياً ذات استقرار كهروكيميائي استثنائي طويل الأمد، مما يحول بفعالية مواد البناء الخاملة إلى مكونات هيكلية نشطة لتخزين الطاقة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل عالماً يمكن فيه لجدران منزلك، أو أعمدة جسر، أو رصيف شارع، أن تفعل أكثر من مجرد تحمل الوزن؛ بل يمكنها أيضاً تخزين الكهرباء، لتعمل كبطاريات ضخمة وصامتة تمد الأضواء أو المستشعرات أو حتى المبنى نفسه بالطاقة. هذه الفكرة، المعروفة باسم التخزين الهيكلي للطاقة، كانت طويلاً حلماً للمهندسين. لقد كان التحدي دائماً هو العثين على مادة قوية بما يكفي للبناء بها، ولكنها قادرة أيضاً على حفظ الشحنة مثل البطارية. تُعد الخرسانة والأسمنت من أكثر مواد البناء شيوعاً على الأرض؛ فهي رخيصة الثمن، ومقاومة للحريق، ومتينة للغاية. ومع ذلك، فهي ضعيفة بطبيعتها في توصيل الكهرباء، وهو أمر ضريد لعمل البطارية. تعتمد البطاريات التقليدية على خلطات كيميائية دقيقة متماسكة بواسطة روابط بلاستيكية، وهي روابط هشة للغاية بحيث لا تصلح لتكون عوارض إنشائية. لسنوات، حاول العلماء تحويل الأسمنت إلى بطارية، لكن النتائج كانت غالباً ضعيفة، حيث كانت تخزن كمية ضئيلة جداً من الطاقة أو تفشل بعد بضع استخدامات فقط. كان الهدف هو ابتكار مادة تكون بمثابة لبنة بناء صلبة كالصخر وجهاز تخزين طاقة عالي الأداء في آن واحد.
لقد قطع فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة نحو هذا الواقع من خلال النجاح في طباعة بطارية من الأسمنت باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. وبدلاً من محاولة فرض تصميم بطارية قياسي على الخرسانة، طوروا طريقة جديدة تستخدم عملية التصلب الطبيعية للأسمنت لبناء الهيكل الداخلي للبطارية. لقد صنعوا حبراً خاصاً يتكون من الماء والأسمنت ونوعين من مواد البطارية: نوع يخزن الشحنة الموجبة وآخر يخزن الشحنة السالبة. كما أضافوا شبكة من جزيئات الكربون الدقيقة للمساعدة في حركة الكهرباء عبر الخليط. وعندما يُضغط هذا الحبر من طابعة ثلاثية الأبعاد، فإنه يشكل شكلاً مستمراً. ومع جفاف الأسمنت وتصلبه، يخضع لتفاعل كيميائي يسمى "الإماهة" (Hydration)، والذي ينشئ هيكلاً معدنياً يربط كل شيء معاً. يوفر هذا الهيكل القوة، بينما تضمن شبكة الكربون استمرار تدفق الكهرباء بحرية. والنتيجة هي جسم صلب مطبوع يبدو ويشعر وكأنه قطعة من مواد البناء، ولكنه يعمل كبطارية ليثيوم أيون قابلة لإعادة الشحن.
اختبر الباحثون هذه المادة الجديدة عن طريق طباعة الجانبين الموجب والسالب للبطارية ثم توصيلهما لتشكيل خلية كاملة. ووجدوا أن البطارية تعمل بشكل ملحو Man. فعند اختبارها بسرعة شحن بطيئة، استطاع الجانب الموجب تخزين 157.5 وحدة من الطاقة لكل جرام، والجانب السالب استطاع تخزين 172.3 وحدة. هذه الأرقام تضاهي العديد من البطاريات التجارية القياسية، مما يثبت أن الأسمنت لم يفسد النشاط الكيميائي لمواد البطارية. والأهم من ذلك، أثبتت البطارية أنها متينة للغاية؛ فبعد شحنها وتفريغها عشرة آلاف مرة، ظلت البطارية الكاملة تحتفظ بنسبة 98.5 بالمائة من سعة طاقتها الأصلية. هذا المستوى من المتانة نادر بالنسبة للبطاريات، خاصة تلك المصنوعة من مادة خشنة ومسامية كهذه. وقد أظهرت الدراسة أن إطار الأسمنت ساعد في الواقع في حماية مواد البطارية، مما حافظ على استقرارها حتى أثناء تمددها وانكماشها أثناء الاستخدام.
وبعيداً عن مجرد حفظ الشحنة، أظهرت المادة السلامة والتنوع اللازمين للاستخدام في البناء الواقعي. فخلافاً للبطاريات التقليدية التي تستخدم مواد كيميائية سائلة قابلة للاشتعال وأجزاء بلاستيكية، فإن هذه البطارية القائمة على الأسمنت مصنوعة من معادن غير قابلة للاشتعال. وفي اختبار مباشر، عرض الباحثون لهب النار لبطارية مطبوعة لمدة عشر دقائق؛ فحافظ الجسم على شكله، ولم ينصهر، ولم يشتعل، مما أظهر مستوى من مقاومة الحرارة لا تستطيع البطاريات القائمة على البلاستيك مضاهاته. كما سمحت عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للباحثين بإنشاء أشكال معقدة وطبقات سميكة دون فشل البطارية. فقد قاموا بطباعة أقطاب كهربائية بسماكات مختلفة، وكانت الكهرباء تتدفق عبر الطبقات السميكة بنفس كفاءة تدفقها عبر الطبقات الرقيقة. وهذا يشير إلى أنه يمكن طباعة هذه البطاريات بأشكال كبيرة ومخصصة لتناسب تماماً الأماكن التي تحتاج إليها في المبنى، بدلاً من إجبارها على وضع داخل صناديق مستطيلة قياسية.
كما تناولت الدراسة سبب نجاح هذا النهج حيث تعثرت المحاولات الأخرى. فالمحاولات السابقة لجعل بطاريات الأسمنت تفشل غالباً لأن الأسمنت كان يعيق حركة الكهرباء أو يؤدي إلى تفكك مواد البطارية الدقيقة. ووجد الباحثون أنه من خلال الموازنة الدقيقة بين خليط الأسمنت ومواد البطارية والكربون، تمكنوا من إنشاء شبكة يوفر فيها الأسمنت القوة بينما يوفر الكربون "الطريق السريع" للكهرباء. وقارنوا حبرهم القائم على الأسمنت مع خلطات أخرى تستخدم روابط مختلفة، مثل أكسيد الألومنيوم أو ثاني أكسيد السيليكون، ووجدوا أن نسخة الأسمنت كانت الأفضل أداءً. لم يكتفِ الأسمنت بتماسك الهيكل فحسب، بل بدا أيضاً أنه يحسن تدفق الأيونات، وهي الجسيمات المشحونة الصغيرة التي تحمل الطاقة داخل البطارية. هذا المزيج الفريد من الخصائص يعني أن المادة ليست مجرد حاوية سلبية للطاقة، بل هي جزء نشط ومتكامل من نظام الطاقة.
يشير هذا العمل إلى مسار جديد لمستقبل البناء. فهو يتجاوز فكرة مجرد تضمين بطارية قياسية داخل جدار، ويقترح بدلاً من ذلك أن يكون الجدار نفسه هو البطارية. إن القدرة على طباعة هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد تعني أن المهندسين المعماريين والمهندسين المدنيين يمكنهم تصميم مبانٍ مزودة بتخزين طاقة مدمج، مصمم خصيصاً وفقاً للشكل والاحتياجات المحددة للمنشأة. المواد المستخدمة رخيصة ومتوفرة على نطاق واسع، والعملية قابلة للتوسع، مما يعني إمكانية استخدامها لصنع كميات كبيرة من هذه المكونات المخزنة للطاقة. ورغم أن هذه التكنولوجيا لا تزال في مرحلة البحث، إلا أن النتائج تظهر أنه من الممكن دمج عالمي البناء وتخزين الطاقة دون التضحية بالسلامة أو القوة أو الأداء. إن بطارية الأسمنت هي إثبات لمفهوم أن المواد التي نستخدمها لبناء عالمنا يمكنها أيضاً أن تمدّه بالطاقة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.