فاز ثلاثة باحثين طوروا تكنولوجيا في قلب عصر الهواتف الذكية - وما نتج عنها من تحول مجتمعي - بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019. وحقق عمل جون ب. غودكافي، والسيد ستانلي ويتنغهام، وأكيرا يوشينو تقدما حاسما في بطاريات أيونات الليثيوم، التي تخزن كميات كبيرة من الطاقة في خلايا البطارية الصغيرة وسريعة وسهلة الشحن.
بيعت لأول مرة تجاريا في عام 1991 من قبل سوني لكاميرات الفيديو ، وهذه الأنواع من البطاريات جيدة لأكثر بكثير من الالكترونيات الاستهلاكية المحمولة. إنهم في قلب ثورتين تكنولوجيتين أخريين مع القدرة على تحويل المجتمع: الانتقال من محركات الاحتراق الداخلي إلى السيارات الكهربائية، والتحول من شبكة كهربائية تعمل بالوقود الأحفوري إلى مولدات الطاقة المتجددة التي تخزن فائض الكهرباء في البطاريات لاستخدامها في المستقبل.
إذن كيف تعمل هذه البطاريات؟ وقد أمضى العلماء والمهندسين وظائف كاملة في محاولة لبناء بطاريات أفضل، ولا تزال هناك أسرار أننا لا نفهم تماما. يتطلب تحسين البطاريات من الكيميائيين والفيزيائيين النظر في التغيرات على المستوى الذري، وكذلك المهندسين الميكانيكيين والكهربائيين الذين يمكنهم تصميم وتجميع حزم البطارية التي تعمل على تشغيل الأجهزة. كعالم مواد في مختبر جامعة واشنطن والمحيط الهادئ الوطني الشمالي الغربي، ساعد عملي في استكشاف مواد جديدة لبطاريات الليثيوم-الهواء وبطاريات المغنيسيوم وبالطبع بطاريات أيونات الليثيوم.
دعونا ننظر في يوم واحد في حياة اثنين من الإلكترونات. سنسمي أحدهم (أليكس) ولديه صديق يدعى (جورج)
تشريح البطارية
يعيش أليكس داخل بطارية AA قلوية قياسية، كما هو الحال في مصباح يدوي أو جهاز تحكم عن بعد. داخل بطارية AA ، هناك مقصورة مليئة بالزنك وأخرى مليئة بأكسيد المنغنيز. في نهاية واحدة، والزنك فقطضعف يتمسك الإلكتروناتمثل أليكس. على الطرف الآخر، أكسيد المنغنيزتسحب بقوةالإلكترونات نحو نفسها. بين, وقف الإلكترونات من الذهاب مباشرة من جانب واحد إلى آخر, هو قطعة من الورق غارقة في محلول البوتاسيوم والماء, التي تتعايش مع أيونات البوتاسيوم الإيجابية وأيونات الهيدروكسيد السلبية.
عند وضع البطارية في جهاز وتشغيلها، يتم الانتهاء من الدائرة الداخلية للجهاز. أليكس يحصل انسحبت من الزنك، من خلال الدائرة وإلى أكسيد المنغنيز. على طول الطريق، وحركته القوى الجهاز، أو مصباح كهربائي أو أيا كان متصلا البطارية. عندما يغادر أليكس، لا يستطيع العودة: الزنك الذي فقد روابط الإلكترون مع الهيدروكسيد لتشكيل أكسيد الزنك. هذا المركب مستقر للغاية ولا يمكن تحويله بسهولة مرة أخرى إلى الزنك.
على الجانب الآخر من البطارية، يكتسب أكسيد المنغنيز ذرة أكسجين من الماء ويترك أيونات الهيدروكسيد خلفها لتحقيق التوازن بين الهيدروكسيد الذي يستهلكه الزنك. مرة واحدة جميع جيران أليكس قد تركت الزنك وانتقلت إلى أكسيد المنغنيز، والبطارية استنفدتويحتاج إلى إعادة تدويرها.
مزايا أيونات الليثيوم
دعونا نقارن هذا بجورج، الذي يعيش في بطارية ليثيوم أيون. بطاريات الليثيوم أيون لديها نفس اللبنات الأساسية مثل خلايا AA القلوية، مع بعض الاختلافات التي تمنح مزايا رئيسية.
جورج يعيش في الجرافيت، الذي هو أضعف من الزنك في التمسك الإلكترونات. والجزء الآخر من بطاريته هو أكسيد الكوبالت الليثيوم، الذي يسحب الإلكترونات بقوة أكبر بكثير من أكسيد المنغنيز - الذي يعطي بطاريته القدرة على تخزين طاقة أكبر بكثير في نفس الكمية من المساحة من البطارية القلوية. يحتوي الحل الذي يفصل بين أكسيد الكوبالت الجرافيت والليثيوم على أيونات الليثيوم المشحونة إيجابيا ، والتي تشكل بسهولة وتكسر الروابط الكيميائية أثناء تفريغ البطارية وإعادة شحنها.
