Thymol–Menthol Deep Eutectic Solvent as a Functional Additive for PEO-Based Solid Polymer Electrolytes

في السعي وراء بطاريات أكثر أماناً وكفاءة، نظر العلماء لفترة طويلة إلى ما هو أبعد من الإلكتروليتات السائلة التي تشغل أجهزتنا اليوم. وبينما تعمل السوائل بشكل جيد، إلا أنها تحمل مخاطر التسرب والتبخر والقابلية للاشتعال. وقد دفع هذا الأمر نحو التحول إلى الإلكتروليتات البوليمرية الصلبة، وهي عبارة عن شرائح مرنة من البلاستيك يمكنها توصيل الكهرباء دون مخاطر السوائل. والمادة الأكثر شيوعاً لهذه الشرائح هي بوليمر يسمى بولي إيثيلين أكسيد. ومع ذلك، فإن هذه المادة لديها نقطة ضعف عنيدة: فهي صلبة وجامدة للغاية في درجة حرص الغرفة، مما يجعل من الصعب على الأيونات — وهي الجسيمات الصغيرة المشحونة التي تحمل الطاقة — التحرك من خلالها بسرعة. ولإصلاح ذلك، يحاول الباحثون غالباً تليين البلاستيك أو إضافة مواد تساعد الأيونات على الانزلاق بسهولة أكبر، لكن العثور على المادة المضافة المناسبة التي تكون فعالة وصديقة للبيئة في آن واحد لا يزال يمثل تحدياً كبيراً.

لقد اتخذ فريق من الباحثين من ماليزيا نهجاً جديداً لهذه المشكلة من خلال اللجوء إلى الطبيعة لإيجاد حل. فقد استقصوا نوعاً معيناً من المخاليط يُعرف باسم "المذيبات العميقة سهلة التكوين" (deep eutectic solvent)، والتي تم إنشاؤها عن طريق دمج مركبين شائعين من أصل طبيعي: الثيمول، الموجود في الزعتر، والمنثول، وهو عامل التبريد الموجود في النعناع. فعند خلطهما بنسب محددة، ينصهران معاً ليشكلا سائلاً شفافاً ومستقراً في درجة حرارة الغرفة، ويتصرفان كمذيب دون السمية الموجودة في الكيميائيات التقليدية. وقد سعى الباحثون لمعرفة ما إذا كان هذا السائل الأخضر يمكن استخدامه كمادة مضافة لتليين شرائح بولي إيثيلين أكسيد الصلبة وتعزيز قدرتها على توصيل الكهرباء.

بدأ الفريق بإنشاء عدة نسخ من سائل الثيمول-منثول هذا، واختبار نسب مختلفة من المكونين للعثور على الشكل الأكثر استقراراً. وقاموا بقياس الخصائص الفيزيائية مثل الكثافة والتوتر السطحي لفهم كيفية تفاعل الجزيئات. ووجدوا أن الخليط الذي يحتوي على أربعة أجزاء من المنثول مقابل جزء واحد من الثيمول أنتج سائلاً بأقل كثافة وتوتر سطحي، مما يشير إلى بنية جزيئية منظمة وانسيابية للغاية. وقبل إضافة هذا السائل إلى مادة البطارية، تأكدوا من أن البولي إيثيلين أكسيد يمكن أن يذوب فيه، حيث انتفخ وتحول إلى هلام شفاف، مما يشير إلى أن المادتين متوافقتان وجاهزتان للاندماج.

بعد ذلك، قام الباحثون بخلط المادة المضافة السائلة في البولي إيثيلين أكسيد لإنشاء غشاء صلب جديد. ولفهم ما يحدث على المستوى الجزيئي، استخدموا تقنية تسمى "مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه"، والتي تعمل مثل ماسح بصمات الأصابع للمواد الكيميائية. وأظهرت النتائج أن مجموعات الهيدروكسيل في الثيمول والمنثول كانت تشكل روابط قوية مع ذرات الأكسجين في سلاسل البوليمر. وكان هذا التفاعل حاسماً لأن معناه أن المادة المضافة لم تكن مجرد مستقرة على السطح، بل كانت مدمجة بعمق في بنية البلاستيك، مما أدى فعلياً إلى إرخاء القبضة المحكمة التي كانت تمسك بها سلاسل البوليمر ببعضها البعض.

ثم اختبر الفريق مدى جودة توصيل هذه الأفلام الجديدة للكهرباء باستخدام طريقة تسمى "مطيافية الممانعة الكهروكيميائية". وقارنوا بين شرائح البوليمر النقية مقابل الشرائح التي تحتوي على كميات مختلفة من مادة الثيمول-منثول المضافة. كان البوليمر النقي موصلاً سيئاً، ولكن بمجرد إدخال المادة المضافة، تحسنت القدرة على حمل الشحنة بشكل ملحوه. وكان الأداء الأفضل من نصيب الخليط الذي يحتوي على أعلى كمية من المنثول، وتحديداً ذا النسبة أربعة إلى واحد من المنثول إلى الثيمول. سمح هذا المزيج المحدد للمادة بتوصيل الكهرباء بمعدل 1.28 × 10⁻⁶ S cm⁻¹، وهو تحسن كبير مقارنة بالمادة غير المعدلة. وعزا الباحثون هذا النجاح إلى انخفاض اللزوجة في الخليط، مما أعطى الأيونات مساحة أكبر للحركة، وإلى البنية الكيميائية الفريدة للثيمول، التي ساعدت في تسهيل تدفق الشحنة.

أخيراً، تحقق الباحثون من مدى صمود هذه المواد الجديدة تحت الحرارة. ووجدوا أنه بينما يتحلل سائل الثيمول-منثول النقي عند درجات حرارة منخفضة نسبياً، فإنه بمجرد حبسه داخل مصفوفة البوليمر، يصبح أكثر استقراراً بكثير. وقد استطاع الغشاء الصلب الناتج تحمل درجات حرارة أعلى بكثير مما تتطلبه عمليات تشغيل البطارية النموذجية، مما يثبت أن المادة المضافة لم تخل بالسلامة أو المتانة للمنتج النهائي. وتخلص الدراسة إلى أن استخدام هذا السائل الطبيعي والأخضر كمادة مضافة هو استراتيجية واعدة لجعل الإلكتروليتات البوليمرية الصلبة أكثر كفاءة. وبينما يشير الباحثون إلى أن هناك حاجة لمزيد من العمل لتحسين المادة للأجهزة الواقعية، فإن نتائجهم تثبت أن المكونات البسيطة والصديقة للبيئة يمكن أن تعزز بشكل كبير أداء مكونات البطاريات من الجيل القادم.