نموذج أولي مع كاثود (البطارية) على شكل ألياف – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

rototype With Fiber-Shaped Cathode
(Laura Oleniacz – بقلم: لاورا أولينياكز)

ملخص المقالة:

صنع باحثو جامعة ولاية كارولينا الشمالية كاثودا (الطرف الإيجابي للبطارية) على شكل ألياف تشبه الخيط باستخدام الخصائص الفريدة لخليط جرافين مع ثاني اكسيد المنغنيز، وتمكنوا بعد ذلك من استخدام الألياف لإنشاء نموذج أولي لبطارية ايون-الزنك يمكنه تشغيل ساعة اليد. وهي خطوة إلى الأمام في تطوير بطارية على شكل ألياف يمكن دمجها في النهاية في الملابس، والأمل معقود على مواصلة هذا العمل لتحسين الأداء والسلامة والخصائص الميكانيكية للتصميم.

( المقالة )

في دراسة جديدة ، صنع باحثو جامعة ولاية كارولينا الشمالية كاثودا، أو الطرف الإيجابي للبطارية، على شكل ألياف تشبه الخيط. وقد تمكن الباحثون بعد ذلك من استخدام الألياف لإنشاء نموذج أولي لبطارية ايون-الزنك يمكنه تشغيل ساعة اليد.

وقد نشرت دراسة إثبات المفهوم في مجلة “المواد التطبيقية والواجهات” التي تصدرها الجمعية الكيميائية الامريكية (ACS Applied Materials and Interfaces) ، وهي خطوة إلى الأمام في تطوير بطارية على شكل ألياف يمكن دمجها في النهاية في الملابس.

“في النهاية، نريد أن نصنع بطارية على شكل خيوط، حتى نتمكن من وضعها في ثوب لباس حقيقي، ويفضل إخفاؤها”، قال المؤلف المقابل للدراسة البروفيسور وي غاو، أستاذ مشارك في هندسة النسيج والكيمياء والعلوم في جامعة ولاية نورث كارولاينا. وأضاف: “في هذه الدراسة، أنشأنا كاثودا على شكل خيوط. كانت النتائج التي توصلنا إليها واعدة جدا لمثل هذا الشريط القصير من الألياف، ونأمل في مواصلة هذا العمل لتحسين الأداء والسلامة والخصائص الميكانيكية لتصميماتنا”.

ولإنشاء الكاثود، استخدم الباحثون الخصائص الفريدة للجرافين – مادة قوية ذات مساحة سطح عالية وموصلية جيدة – لصنع بطارية أيون-الزنك على شكل خيوط.

وفي دراستهم، ابتكر الباحثون جسيمات دقيقة مختلفة من ثاني أكسيد المنغنيز بأشكال وأحجام مختلفة. وبعد ذلك، استخدموا عملية غزل المحلول لتشكيل ألياف مصنوعة من أكسيد الجرافين، مع جزيئات ثاني أكسيد المنغنيز المضمنة في الداخل. ثم درسوا الخصائص الكهروكيميائية وغيرها من الألياف.

وقال البروفيسور غاو: “نظرا لأننا نحاول صنع بطارية أيون-زنك على شكل ألياف، فإننا لا نهتم فقط بأداء البطارية، ولكن أيضا بالخصائص الميكانيكية – نحتاج إلى أن تكون الألياف قوية ومرنة أيضا”.

وقد وجد الباحثون أن شكل أكسيد الجرافين ومواد ثاني أكسيد المنغنيز التي استخدموها لصنع الكاثود أثر على وظيفته الكهروكيميائية. فعلى وجه التحديد، وجدوا مكونات ثاني أكسيد المنغنيز الأقصر التي على شكل قضيب المختلطة بشكل متجانس مع الجرافين، ما يسمح للباحثين بصنع ألياف يمكن أن تعمل كنموذج أولي وظيفي للبطارية. وبالمقارنة، وجدوا أنه عندما يكون لثاني أكسيد المنغنيز شكل “قنفذ البحر”، لا يمكن استخدام الألياف في بطارية وظيفية.

“عندما يتم خلط الجرافين وثاني أكسيد المنغنيز جيدا ، يمكنك استخدام الألياف لإنشاء بطارية وظيفية”، قال المؤلف الأول للدراسة، ناكارين سوبجاليندي ، طالب دراسات عليا سابق في ولاية نورث كارولاينا. وتابع: “إذا كان ثاني أكسيد المنغنيز على شكل قنفذ البحر، فهذا يعني أن خيط الكاثود له سطح خشن، ولا يمكن استخدامه”.

وأضاف البروفيسور غاو: “أعطانا ثاني أكسيد المنغنيز على شكل قضيب أفضل أداء”. وتابع: “تحاكي هذه الجسيمات تكوين أو هندسة الألياف، مقارنة بالجسيمات على شكل قنفذ البحر، والتي كانت مستديرة مع جميع أنواع الحواف التي تشير إلى ذلك. لقد أزعجوا تكديس صفائح أكسيد الجرافين النانوية داخل الألياف”.

وعلى الرغم من أن أداء البطارية كان منخفضا، إلا أن الباحثين تمكنوا من استخدامها لتشغيل ساعة اليد. ويريد الفريق مواصلة عملهم لتحسين أداء التصميم.

وقال البروفيسور غاو: “تظهر هذه الدراسة أن شكل وحجم المواد المضافة في الألياف أثرت على عملية تكوين الألياف لأكسيد الجرافين”. وأضاف: “نأمل أن نستمر في تطوير هذا النظام. نريد أن يكون تصميمنا مشابها للبطارية التجارية”.

وقد نشرت الدراسة المعنونة، “الغزل الرطب لألياف أكسيد الجرافين مع إضافات ثاني اكسيد المنغنيز المختلفة” (Wet Spinning of Graphene Oxide Fibers with Different MnO2 Additives) ، على الإنترنت في مجلة “المواد التطبيقية والواجهات” التي تصدرها الجمعية الكيميائية الامريكية  [DOI: 10.1021 / acsami.3c02989]. ومن بين المؤلفين المشاركين نانفي هي، وهوي تشنغ، وبانبانات تيساتشابوت، وبريو إياملاماي، وسومروتاي فوثيبهيت، وأورابان سينسوك، وبيمبا ليمثونغكول، وفارول إنتاسانتا، وشيانغ وو تشانغ. وتم دعم هذا العمل من خلال تمويل بدء التشغيل من كلية ويلسون للمنسوجات بجامعة ولاية نورث كارولاينا؛ المركز الوطني لتقنية النانو في تايلند (NANOTEC)؛ الوكالة الوطنية التايلاندية لتطوير العلوم والتقنية (1751526)؛ وبرنامج ابتكار الطاقة؛ ومجموعات تطوير التقنية التايلندية المعنية بالطاقة؛ والوكالة الوطنية لتطوير العلوم والتقنية (المشروع رقم 822 PO2050291)

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://news.ncsu.edu/2023/04/researchers-design-battery-prototype-with-fiber-shaped-cathode/