Effect of Ionic Liquid Incorporation on Sodium-Ion Conducting Gel Polymer Electrolytes Based on PVDF-HFP and Sodium Triflate

تعتمد أجهزة تخزين الطاقة، من الهواتف في جيوبنا إلى السيارات على طرقاتنا، على مكون حيوي يسمى الإلكتروليت (المحلول الموصل). يعمل هذا المادة كجسر، مما يسمح للجسيمات المشحونة بالتحرك بين الطرفين الموجب والسالب للبطارية. ولعقود من الزمن، كانت الإلكتروليتات السائلة هي المعيار لأنها تنقل الأيونات بسرعة، ولكنها تأتي مع مخاطر كبيرة: فقد تتسرب، أو تشتعل، أو تسبب تآكل أجزاء البطارية. توجد بدائل صلبة وهي أكثر أمانًا، لكنها غالبًا ما تعاني في توصيل الأيونات بكفاءة، خاصة عندما تنخفض درجات الحرارة. ولحل هذه المشكلة، لجأ العلماء إلى نهج هجين يُعرف باسم "إلكتروليت البوليمر الهلامي" (gel polymer electrolyte). تخيل إسفنجة تحتفظ بالسائل داخل إطار صلب؛ هذا الهيكل يوفر أمان الصلب مع حركة السائل، مما يجعله مرشحًا واعدًا للجيل القادم من البطاريات.

في دراسة حديثة، بحث باحثون في جامعة "أوفا ويلاسا" في سريلانكا في كيفية جعل هذه الإلكتروليتات الهلامية أفضل لبطاريات أيونات الصوديوم. يعد الصوديوم بديلًا جذابًا لليثيوم لأنه أكثر وفرة وأرخص ثمنًا، ولكنه يتطلب مواد محددة للتحرك بكفاءة. ركز الفريق على مادة بلاستيكية مرنة تسمى PVDF-HFP، المعروفة بقدرتها على حبس السوائل، وخلطوها مع ملح الصوديوم لحمل الشحنة. ولتعزيز الأداء، أدخلوا نوعًا خاصًا من الأملاح يُعرف باسم "السائل الأيوني". وخلافًا للأملاح المستخدمة في الطهي، والتي تكون صلبة في درجة حرارة الغرفة، فإن السوائل الأيونية هي أملاح تظل سائلة حتى عندما تبرد. وهي تحظى بتقدير لكونها غير قابلة للاشتعال ومستقرة تحت الحرارة. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان إضافة هذا الملح السائل إلى الخليط البلاستيكي والصوديوم سيخلق مسارًا أكثر سلاسة لانتقال أيونات الصوديوم، وبالتالي تحسين قدرة البطارية على تخزين الطاقة وتحريرها.

قام الفريق بتحضير عدة عينات عن طريق خلط البلاستيك وملح الصوديوم وكميات متفاوتة من السائل الأيوني. واستخدموا طريقة قياسية لإذابة المكونات في مذيب وتركها تتبخر لتترك خلفها أغشية رقيقة وشفافة. واختبروا أغشية بنسب مختلفة، تتراوح من عدم وجود سائل أيوني على الإطلاق إلى خليط يشكل فيه السائل الأيوني ثلثي الوزن. كان الهدف هو إيجاد التوازن المثالي حيث تظل المادة مرنة وقوية مع توصيل الكهرباء بأفضل قدر ممكن. واكتشفوا أنه كلما أضافوا المزيد من السائل الأيوني، أصبحت المادة أكثر شبهاً بالهلام (الجل)، ومع ذلك ظلت قائمة بذاتها ولم تفقد شكلها. احتوت العينة الأكثر نجاحًا على سبعة وستين بالمائة من السائل الأيوني من حيث الوزن. وفي درجة حرارة الغرفة، قامت هذه الخلطة المحددة بتوصيل الكهرباء بمعدل 4.66 ميلي سيمنز لكل سنتيمتر، وهو تحسن كبير مقارنة بالعينات التي تحتوي على سائل أقل. وعند رفع درجة الحرارة إلى ستين درجة مئوية، قفزت الموصلية بشكل أعلى لتصل إلى 8.80 ميلي سيمنز لكل سنتيمتر.

لفهم سبب نجاح هذا الخليط، نظر الباحثون داخل بنية المادة باستخدام حيود الأشعة السينية، وهي تقنية تكشف كيفية ترتيب الذرات. ووجدوا أن البلاستيك النقي والبلاستيك المخلوط بملح الصوديوم فقط كان لهما بنية بلورية منظمة نوعًا ما، مثل كومة من الطوب المرتب بعناية. ومع ذلك، عندما تمت إضافة السائل الأيوني، انهار هذا النظام. اختفت الأنماط الحادة والمتميزة للبلورات، وحلت محلها إشارة عريمة وضبابية تشير إلى حالة غير متبلورة (أمورفية) أكثر اضطرابًا. في هذه الحالة المضطربة، تكون سلاسل البوليمر أقل صلابة ولديها مساحة أكبر للتذبذب. وتسمح هذه المرونة المتزايدة لأيونات الصوديوم بالتحرك عبر المادة بسهولة أكبر، مما يفسر الموصلية العالية. لقد عمل السائل الأيوني أساسًا كملين، حيث أدى إلى تعطيل التعبئة الضيقة للبلاستيك والملح وخلق بيئة أكثر انفتاحًا لانتقال الأيونات.

كما فحص الفريق سلوك المادة تحت تأثير الحرارة. وباستخدام تقنية المسعر الحراري التفاضلي، قاسوا درجات الحرارة التي تذوب عندها المادة أو تتغير حالتها. ولاحظوا أن إضافة السائل الأيوني خفضت نقاط الانصهار للمكونات المختلفة، مما أكد أكثر أن المادة أصبحت أقل صلابة وأكثر مرونة. هذه المرونة أمر بالغ الأهمية لأنها تسم تسمح للأيونات بالقفز من مكان إلى آخر بمقاومة أقل. بالإضافة إلى ذلك، استخدموا مطيافية الأشعة تحت الحمراء "للاستماع" إلى اهتزازات الروابط الكيميائية داخل المادة. وأظهرت التغيرات في هذه الاهتزازات أن السائل الأيوني لم يكن مجرد موجود بشكل سلبي في الخليط، بل كان يتفاعل بنشاط مع البلاستيك وملح الصوديوم. ساعدت هذه التفاعلات في تفكيك ملح الصوديوم إلى أيونات فردية، مما ضمن توفر المزيد من حوامل الشحنة للقيام بعمل توصيل الكهرباء.

أخيرًا، اختبر الباحثون سلامة ومتانة هذه الإلكتروليتات الجديدة عن طريق تسخينها لمعرفة متى ستبدأ في التحلل. وأظهرت النتائج أن المواد كانت مستقرة بشكل ملحوظ، حيث تحملت درجات حرارة تصل إلى أربعمائة درجة مئوية قبل ظهور علامات التحلل. وبينما أدت إضافة السائل الأيوني إلى خفض درجة الحرارة التي يبدأ عندها البلاستيك في التحلل قليلاً مقارنة بالبلاستيك النقي، إلا أن المادة ظلت مستقرة بما يكفي للاستخدام العملي في البطاريات. وخلصت الدراسة إلى أن دمج السائل الأيوني في إلكتروليت البوليمر الهلامي هو استراتيجية فعالة للغاية. فهو يحول المادة من صلبة صلبة وأقل موصلية إلى هلام مرن وعالي الموصلية دون التضحية بالاستقرار الحراري. ويشير هذا الاكتشاف إلى مسار واضح نحو تطوير بطاريات أيونات صوديوم أكثر أمانًا وكفاءة، يمكنها يومًا ما تشغيل كل شيء من الأجهزة المحمولة إلى المركبات الكهربائية.