نجح فريق من الباحثين بجامعة كاليفورنيا، بيركلي، في تطوير بطارية مرنة وآمنة تشبه الهلام، يمكنها تحمل الثني والقطع ، ما قد يمهد الطريق لثورة في عالم الأجهزة القابلة للارتداء والروبوتات اللينة.
نهاية لعهد البطاريات الصلبة
تعبأ البطاريات الليثيوم أيونية التقليدية، التي تزود الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية بالطاقة، عادة، داخل حاويات صلبة ومحكمة لمنع تسرب مكوناتها الكيميائية القابلة للاشتعال، ما يجعل استخدامها في الأجهزة المرنة محدودًا.
لكن البطارية الجديدة، التي طورها باحثون بقيادة البروفيسور ليويي لين من قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة كاليفورنيا، تقدم بديلًا مرنًا وآمنًا، يعتمد على إلكتروليت هلامي مائي غير سام.
بطارية مرنة تتحمل الثني والقطع
تمكنت هذه البطارية الهلامية من العمل بكفاءة حتى بعد تعريضها للثني بزاوية 180 درجة، أو طعنها بالإبر، أو حتى قطعها بشفرة حادة. والأكثر إثارة للإعجاب، أنها استعادت نحو 90% من طاقتها الأصلية بعد إعادة تجميعها وتسخينها، ما يشير إلى خاصية "الشفاء الذاتي".
كيف تم التغلب على قيود الهلاميات المائية؟
عانت البطاريات السابقة التي استخدمت هلاميات مائية (Hydrogels) من مشكلتين أساسيتين، وهما عمر قصير للغاية، حيث لا يتجاوز بضع ساعات أو أيام، ونافذة استقرار كهربائي ضيقة، حيث يبدأ الماء في التحلل إلى هيدروجين وأكسجين عند 1.2 فولت فقط، مما يحد من جهد البطارية.
لحل هذه المعضلة، استخدم الباحثون بوليمر "زويتيريوني" (zwitterionic polymer) – وهو نوع يحتوي على شحنات موجبة وسالبة ، لربط جزيئات الماء بقوة داخل شبكة الهلام، ومنعها من التحلل حتى عند فولتية أعلى.
كما استخدموا ملح ليثيوم خالٍ من الفلور (لتجنب السمية) ومادة الأكريليك كعامل ربط.
بطارية قليلة الماء كثيرة الأمان
فيما لم يغمر الباحثون الهلام بالماء كالمعتاد، بل تركوه يمتص رطوبة الهواء ليصل إلى نسبة مياه لا تتعدى 19%، مقارنةً بـ80% في الهلاميات التقليدية، وكانت النتيجة أن الهلاميات أصبحت مستقرة إلكترونيا وتعمل في رطوبة الغرفة العادية (50%)، وتولد طاقة عند 3.1 فولت تقريبًا – وهي قريبة من بطاريات الليثيوم التجارية – دون تحلل كبير للماء.
تطبيقات جديدة وتحديات قائمة
بينما أظهرت البطارية الجديدة قدرة على العمل لأكثر من 500 دورة شحن كاملة، وهو رقم مشابه لما تصمَّم عليه بطاريات الهواتف الذكية، لكنها احتفظت بنحو 60% فقط من طاقتها الأصلية بعد هذه الدورات، مقارنةً بـ80% في البطاريات التجارية، ما يشير إلى وجود هامش للتحسين.
كما أن كثافة الطاقة لا تزال منخفضة، نحو عشر ما تقدمه البطاريات التقليدية. لكن البروفيسور لين يرى الأمر من منظور مختلف:"إذا استخدمنا هذه البطارية في سوار الساعة الذكية، مثلًا، يمكننا زيادة المساحة المخصصة للطاقة، ما قد يمد عمر البطارية من يوم واحد إلى أسبوع."
