ونظرا لأن الطلب على أجهزة تخزين الطاقة ذات الحجم العالي يكثف عبر أجهزة المستهلكين الالكترونية، والمركبات الكهربائية، والتخزين على نطاق الشبكة، فإن الباحثين يحوّلون تركيزهم على تحسين المواد التي تحتوي على الليثيوم في البطاريات التي تستخدم فيها الليثيوم، وقد ظلت هذه المواد، طوال عقود، مادة لقطع الشريان الهضمي، توفر قدرة متواضعة وتدور ثابتا، غير أن قدرتها النظرية تبلغ 372 ملليغرام/ساعة للغرام للغرام بالغرام الواحد.

وعد سيليكون أنودس

وبالتالي، فإن القدرة غير العادية لتخزين الليثيوم تنشأ عن قدرتها على تشكيل سبيكة غنية بالليثيوم، وL15 ]Si]4]، وهي في درجة حرارة الغرفة، وأثناء الشحن، فإن أكياس الليثيوم تُدخل في البطن الميكانيكي، مما يؤدي إلى زيادة نسبة الإجهاد من المادة إلى 30 في المائة.

وعلى الرغم من هذه التحديات، فإن الوعد بتكثيف الطاقة بالبطارية ثلاث مرات أو رباعيا قد دفع إلى إجراء بحوث مكثفة، بل إن استبدالا جزئيا بالغرافيت بالسيليكون - مثلا، بإضافة 5 إلى 20 في المائة من السليكون إلى مركب مقطعي - يمكن أن يعزز القدرة بنسبة 30 إلى 50 في المائة مع الحفاظ على حياة الدورة المقبولة، ويمكن للسيليكون الكامل، إذا ما تحقق، أن يمكّن المركبات الكهربائية التي تزيد على 500 ميل في كل شحنة واحدة وسمة.

أحدث المنجزات في تكنولوجيا لي سي آنود

وعلى مدى السنوات الخمس الماضية، أحرز الباحثون تقدما ملحوظا في معالجة مواطن الضعف الأساسية في السيليكون، إذ أن هذه التطورات تشمل استراتيجيات متعددة، من الهياكل النانوية إلى الهندسة المركبة والتركيبات الكهربائية المتقدمة.

بناء القدرات الميكانيكية

ومن أكثر النهج تأثيرا استخدام مورفيولوجيات السيليكون المجهزة بالنانوكون، حيث إن تخفيض أحجام الجسيمات السيليكونية إلى حجم النانوتر، فإن الضغوط الميكانيكية من التوسع في الحجم، إذ أن السائل المائي المحتوي على السائل المنوي، مثلا، يمكن أن يتوسع ويعقد دون كسر، كما يتبين من الأعمال الرائدة في جامعة ستانفورد.

Silicon-Carbon Composites and Hybrid Architectures

فبدلاً من الاعتماد على السيليكون النقي، تركز العديد من الجهود التجارية والبحثية على مركبي السيليكون - الكربون، وتجمع هذه المواد بين القدرة العالية للسيليكون والقوى الميكانيكية للكربون وسلوكه، وتظهر خلايا النسيج المركب في بعض البطاريات الإلكترونية الاستهلاكية، وتستعمل طبقات مركبة أكثر تقدماً الغرافيا أو نانووبس الكربون كرش عازب.

الابتكارات بيندر وإلكتروليت

كما أن الكيمياء الجديدة من الكيمياء ذاتية البوليفينيلدين (البوليفينيل) التي تظهر كثافة عالية جداً لاستيعاب التغيرات في حجم السيليكون، بما في ذلك حمض البوليكريليك، والآلات التراكمية، والبوليمرات الصنعية - تشكل شبكات مرنة تحافظ على الجسيمات السيليكونية معاً من خلال دورات التوسع القصوى.

استراتيجيات التأهيل

ومن المسائل الحاسمة التي تكتنف عملية التلقين في الأنودية استهلاك الليثيوم من الهرولة خلال الدورات القليلة الأولى بسبب تشكيل نظام المعلومات الاقتصادية، وهذا " فقدان الدورة الأولى " يقلل من كثافة الطاقة العملية في خلية كاملة، ويعوض التمهيد عن هذه الخسارة عن طريق عمليات التحلل الفوقية الكهربية باستخدام المعادن الكهربية، أو التراكم الفوقي.

التكييف المسبق والنمذجة الحاسوبية

وقد كشفت هذه الأدوات التي تُستخدم في تصميمات المرحلة النهائية عن أن أكثر الأدوات التي تُستخدم في تصميم المواد الكيميائية الواعدة في الوقت الحقيقي هي التي تُعد في إطارها أجهزة التكوين الإلكترونية، وتقنية التخدير، وتقنيات التخدير في الموقع، وتقنية التكوين الإلكترونية، وأجهزة التكوين الواعدة في مجال المواد المغناطيسية.

Overcoming Volume Expansion: Mechanical and Structural Solutions

ولا يزال التحدي الرئيسي الذي يواجهه إعلانات السيليكون هو إدارة التغير الهائل في الحجم أثناء التلويث والتفكيك، وفي حين أن الهياكل النانوية تساعد في ذلك، فإنه يجب الجمع بين هذه التغييرات والهندسة على مستوى الكهروود لإنتاج خلايا تجارية قابلة للاستمرار.

البنادق الجامدة والنفسية

فالبنات التي يمكن أن تتوسع وتسترد هي ذات أهمية حاسمة، وقد طور الباحثون مربطات مستوحاة من الأنسجة البيولوجية، باستخدام شبكات مائية الاختراق والإصلاح بشكل قابل للعكس، وعلى سبيل المثال، فإن وجود جهاز ثنائي يقوم على البولي (الثنائي الفينيل) - البولي (حامض الكريكل) مع سندات دودة دينامية يمكن أن يكون له تأثير على النفس في مجارات الرفع التي لا تشكل إلا أثناء التدوير.

مجموعة الأوراق المالية الحالية و 3D

وبدلا من أن تُعاطى رباط نحاس مسطح بالسيلكون، فإن جامعي العجلات الثلاثة الأبعاد - مثل الرغاوي المعدنية، أو ورق الكربون، أو النحاس الخرف - يوفرون مساحة سطحية أكبر وحجما باطلا، ويُودع السليكون أو يتسلل إلى هذه الهياكل، مما يسمح بتوسيع نطاقه إلى المسامير، كما يقصر مسارات انتشار الأيونات، مما يتيح سرعة التعبئة في شكل كربونات.

هيكليْ يولك - شيل وبوماغرانتي

وقد تم تنقيح تصميم قذيفة اللونك المشار إليه سابقا في هياكل " مجزأة " - مجموعات من الجسيمات المنوية السيليكونية كل منها مغلفة في قذيفة كربون فردية، ثم تتراكم في نصف الكرة الأرضية الأكبر، وهذا التصميم الهرمي يوفر مستويات متعددة من الحيز الفراغي: في كل قذيفة وبين القذائف، ونتيجة لذلك، تحسنت درجة الكهرومغناطيسية مثل مفهوم المقياس التقليدي ولكن المقياس المتحرك.

التكويجات المخففة للإجهاد

وقد استخدمت الترسيب الرئوي للطبقات الذرية والتصويب الجزيئي لتطبيق المعاطف الرقيقة والمتطابقة للألومينا أو التيتانيا أو الألوكون على الجسيمات السيليكونية، وهذه المعاطف تعمل على أنها طبقات صناعية لا تزال سليمة أثناء التوسع، وتخفض التحلل الكهربائي، وتحسن كفاءة التكتل بحيث تزيد على 99.5 في المائة.

تحديات التصنيع والتقسيم

وحتى مع النجاحات على نطاق المختبرات، فإن ترجمة تكنولوجيا السيليكون إلى الإنتاج الجماعي ليس أمراً مستقيماً، وصناعة البطاريات شديدة الحساسية من حيث التكلفة، ويجب أن تكون أي مادة جديدة من مواد الأنوديوم متوافقة مع خطوط التغليف والتجفيف والتجميع الخلوية الموجودة.

سلسلة التكاليف والإمدادات

ويحتاج السيليكون إلى معدات للطاقة ورأس المال، ولكن تكاليف تجهيز البنادق النانوية، كما أن أساليب مثل الترسيب الكيميائي للبخار، وصناعة البال، وما إلى ذلك، تتطلب الطاقة ومعدات رأس المال، ولكي تكون شركات صناعة أقساط السيليكون قادرة على تحمل التكاليف، يجب أن تحقق غلة كبيرة ومن خلال الناتج، وقد وضعت شركات عديدة، مثل شركة سيلا نانشنيولوجيا وشركة أمبريوس، معايير للأسعار قابلة للمقارنة.

التسارع والتدريب

إن السور السيليكونية أكثر وضوحا وتتطلب مراقبة دقيقة للتبخر المذيب، كما أن المساحة العالية السطحية للسيليكون المهيكل يمكن أن تُخيص المذيبات، مما يؤدي إلى الرطوبة المتبقية التي تسبب ردود فعل جانبية، ويجب أن يتم التدريج ببطء أو بتدفئة تحت الحمراء لمنع التشقق، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يتم استخدام بروتوكولات الحاسب الكهربائي الكهرومغناطيسي (الإصاق) على النحو الأمثل لتجنب سحق الهياكل الحساسة.

التوافق مع تصميمات الخلايا الموجودة

وقد أجريت معظم البحوث المتعلقة بالسيليكون في نصف الخلايا ضد معدن الليثيوم، ولكن الخلايا الكاملة التي تقترن بقطع الكاثول العالية النيكل )المركز الوطني للكيمياء، المجلس الوطني للتضامن الوطني( تطرح تحديات إضافية، وتعاني الأنود السيليكونية من فقدان المخزون الليثيومي، الذي يمكن تخفيفه عن طريق التغليف أو باستخدام مواد القطيع ذات الليثيوم الزائد.

الاتجاهات المستقبلية والتوقعات التجارية

وأصبح الطريق إلى اعتماد السيليكون الواسع النطاق أكثر وضوحاً حيث تدخل الخطوط التجريبية والمنتجات التجارية المبكرة السوق، ويستخدم الجيل الأول من المنتجات أقل من 10 في المائة من السيليكون المختلط بالغرافيت، وسيدفع الجيل القادم من الأناشيد بمحتوى السيليكون إلى 30 إلى 50 في المائة في التصميمات المركبة، وفي نهاية المطاف، يمكن أن يصبح عقد السيليكون قريباً من العقاب مع هياكل متقدمة أمراً ممكناً.

بطاريات تابعة للدولة الصلبة مع سيليكون أنودز

وقد يوفر الإلكتروليتات ذات الصلصة، ولا سيما الكبريت والأكسيدات، ميزة تحولية لأجهزة الصعق، ونظرا لأن الكهرباء الصلبة شديدة التصلب آليا، فإنها يمكن أن توقف نمو البوليتيوم، وأن تتحمل أيضا الضغط من التوسع في السيليكون، فقد أظهرت البحوث المبكرة التي تجمع بين الوصلات الكهربائية ذات الحجم الصلب وسلسلة الوصل بين الوصلات الكهربية وجود ٥٠٠.

صناعات اللاعبين والإنتاج التجريبي

Several companies are leading the charge toward commercialization. ]Sila Nanotechnologies] has developed a siliconconant anode material that it supplies for consumer electronics, with automotive partnerships in place.

Remaining Research Frontiers

وعلى الرغم من التقدم المحرز، لا تزال هناك أسئلة أساسية، فآليات الفشل الدقيق في إعلانات السيليكون تعتمد على حجم الجسيمات، والبلورة، والكيمياء الكهروليتية، ووضع نموذج موحد يتوقّع مدى الحياة في ظل ظروف التدوير في العالم الحقيقي، هو مجال نشط، وثمة حدود أخرى تتمثل في تطوير " ذكور " يُنقَض به تدهور التقارير الذاتية من خلال التوقيعات الكهروكيميائية.

الآثار المترتبة على تخزين الطاقة واستدامتها

وسيكون للمركبات الكهربائية في مجال النقل آثار عميقة تتراوح بين 500 و600 ميل دون زيادة وزن أو حجم مجموعة البطاريات، مما سيعالج شاغلاً رئيسياً من شواغل المستهلكين ويعجل باعتماد نظام تقييم الانبعاثات، وبالنسبة لتخزين الشبكة، فإن كثافة الطاقة المرتفعة تعني آثاراً أقل وتكاليف تواتر موازين النظم، مما يجعل التكامل المتجدد أكثر اقتصاداً.

ومن منظور الاستدامة، فإن السيليكون واف ومراعي للبيئة بالمقارنة مع الكوبالت أو مع المعادن الحرجة الأخرى، كما أن إصلاح بعض الرسوم البيانية بالسيليكون قد يقلل أيضا من البصمة الكربونية لإنتاج البطاريات، حيث أن التعدين وتجهيز الرسوم البيانية له آثار بيئية كبيرة، غير أن التوليف الكثيف للطاقة للسيليكون المهيكل يجب أن يقابله فترة أطول من عمر البطاريات لتحقيق فوائد بيئية صافية.

وأخيرا، فإن زيادة كثافة الطاقة من الأنابيب السيليكونية يمكن أن تتيح تطبيقات كانت غير عملية في السابق، مثل الطيران الكهربائي، والشاحنات ذات العمل الثقيل، وتخزين المدخرات الطويلة، كما أن وكالة الولايات المتحدة للمشاريع البحثية المتقدمة - الطاقة قد مولت مشاريع متعددة تستهدف 500 خلية من وزنها كيلوغرام باستخدام أجهزة تنقية للسيليكون، مع جداول زمنية طموحة لاختبار الرحلات الجوية.

ومع استمرار البحوث في التصدي للتحديات التقنية والتصنيعية المتبقية، يبدو أن النشر التجاري لمناطق الليثيوم - السيليكون ليس مسألة إذا كان، بل متى، ومن المرجح أن يشهد العقد المقبل انتقالا من فضول مختبري إلى مادة بطارية رئيسية، مما يتيح زيادة القدرة والحياة الأطول التي يتطلبها العالم بشكل متزايد.