Effect of metallic Sn addition on the high-voltage discharge performance of NiF₂ cathodes for thermal batteries

تخيل مصدر طاقة يظل خاملاً لعقود، دون أن يُلمس أو يُشحن، ينتظر فقط لحظة من الحرارة ليدب فيه النشاط. هذا هو عالم البطاريات الحرارية، وهي أجهزة طاقة متخصصة تُستخدم في المواقف التي تكون فيها الموثوقية هي الأهم، وحيث يُقاس الزمن بالثواني. وخلافاً للبطاريات القابلة لإعادة الشحن الموجودة في الهواتف الذكية والتي تعتمد على مواد كيميائية سائلة، تستخدم هذه البطاريات الأملاح المنصهرة كمادة كهرلية (إلكتروليت). تظل هذه البطاريات خاملة ومستقرة في درجة حرارة الغرفة، ولكن عندما يقوم سخان ناري بتسخينها، تنصهر الأملاح، وتبدأ الأيونات في التدفق، وتطلق البطارية دفعة هائلة من الطاقة بشكل فوري تقريباً. وعلى مدار عقود، سعى المهندسون لإيجاد مواد يمكنها تخزين المزيد من الطاقة وتقديمها بجهد كهربائي أعلى ضمن هذه البيئة القاسية وعالية الحرارة. وأحد المرشحين الواعدين هو مركب فلوريد النيكل، وهو مادة توفر دفعاً كهربائياً عالياً ولكنها تواجه صعوبة في السماح لتلك الطاقة بالتدفق بحرية بمجرد تفعيل البطارية.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لحل مشكلة التدفق هذه عن طريق خلط فلوريد النيكل بكميات ضئيلة من مساحيق المعادن. كان الهدف بسيطاً: إيجاد طريقة لجعل الكهرباء تتحرك بسهما عبر قلب البطارية دون فقدان الجهد العالي الذي يجعل هذه المادة قيمة للغاية. اختبر الفريق عدة معادن مختلفة، بما في ذلك الفضة والكوبالت والنيكل والقصدير، وخلطوها مع مسحوق فلوريد النيكل باستخدام طريقتين متمايزتين. تضمنت إحدى الطريقتين طحن المكونات مع القليل من الإيثانول، بينما استخدمت الطريقة الأخرى موجات صوتية عالية التردد لتشتيت الجزيئات في سائل قبل تجفيفها. وبعد خلط المساحيق، تم تسخينها إلى درجات حرارة عالية لضمان جاهزيتها للظروف الشديدة داخل البطارية العاملة.

كشفت النتائج أن ليست كل المعادن أو طرق الخلط متساوية في الكفاءة. فبينما أنتجت الفضة أعلى جهد أولي، إلا أنها فشلت في الحفاظ على إنتاج البطارية لفترة طويلة. أما الاختراق الحقيقي فقد جاء من استخدام القصدير؛ فعندما أضاف الباحثون كمية محددة من القصدير إلى فلوريد النيكل، تضاعفت قدرة البطارية على تقديم الطاقة بأكثر من الضعف مقارنة بالمادة غير المعدلة. وتحديداً، قدمت عينة تحتوي على عشرة بالمائة من القصدير بالوزن، جُهزت باستخدام طريقة التشتيت بالموجات الصوتية، سعة قدرها 262.86 مللي أمبير-ساعة لكل جرام حتى جهد قطع قدره 2.0 فولت. وفي المقابل، تمكن فلوريد النيكل النقي بدون أي إضافات من تقديم 124.67 مللي أمبير-ساعة لكل جرام تحت نفس الظروف. ويمثل هذا زيادة بنسبة 110.8 بالمائة تقريباً، وهي قفزة كبيرة في الأداء تشير إلى أن القصدير ساعد في إنشاء مسارات أفضل لانتقال التيار الكهربائي.

كما سلطت الدراسة الضوء على أن طريقة خلط المكونات كانت لا تقل أهمية عن المكونات نفسها. فالعينات التي جُهزت بالتشتيت بالموجات فوق الصوتية، والتي قامت بتفكيك تكتلات المسحوق بشكل أكثر فعالية، أدت أداءً أفضل ملحوظاً من تلك التي صُنعت بالطحن البسيط. لاحظ الباحثون أن العينات المعالجة بالموجات فوق الصوتية كانت ذات توزيع أكثر تجانساً للجزيئات، مما سمح للقصدير بربط حبيبات فلوريد النيكل ببعضها البعض بكفاءة أكبر على الأرجح. ومع ذلك، فإن العلاقة بين كمية القصدير وأداء البطارية لم تكن خطاً مستقيماً؛ فإضافة كمية قليلة جداً من القصدير لم تحقق سوى تحسن طفيف، بينما أدت إضافة كمية كبيرة منه إلى تقليل الأداء فعلياً. وقد وُجدت "نقطة التوازن المثالية" عند عشرة بالمائة؛ حيث أدى رفع نسبة القصدير إلى خمسة عشر بالمائة إلى انخفاض السعة، مما يشير إلى وجود توازن دقيق مطلوب لتعظيم الفائدة دون تكدس المادة النشطة.

ومن الأهمية بمكان أن الباحثين أشاروا إلى أن الميزة الأساسية لإضافة القصدير لم تكن في حدوث طفرة في الجهد الابتدائي، والذي انخفض في الواقع قليلاً، بل في القدرة على الحفاظ على جهد عالٍ لفترة أطول. فقد بدأ فلوريد النيكل النقي بقوة ولكنه استنفد طاقته بسرعة، بينما حافظت النسخة المعدلة بالقصدير على ثباتها، مقدمة تدفقاً مستمراً من الطاقة طوال دورة التفريغ. وقد أكد الفريق من خلال تحليل الأشعة السينية أن القصدير ظل في شكله المعدني بعد عملية التسخين، حيث تعايش مع فلوريد النيكل لتشكيل مركب وظيفي. ورغم أن الآلية المجهرية الدقيقة لكيفية تحسين القصددر للتدفق لم تُحدد بشكل كامل، إلا أن الأدلة تشير بوضوح إلى تحسن هيكلي حيث تساعد المادة المضافة المعدنية البطارية على التغلب على مقاومتها الطبيعية. ويظهر هذا العمل أنه من خلال الاختيار الدقيق لمادة مضافة موصلة وتحسين كيفية خلطها، يمكن استغلال جزء أكبر بكثير من الطاقة المخزنة داخل مواد البطاريات عالية الجهد، مما يجعلها أكثر فعالية للتطبيقات المتطلبة التي تعتمد على الطاقة الحرارية.