تحسين تخزين الصوديوم في الكربون الصلب عبر إلكتروليت يتيح التداخل المرافق للمذيب مما يمكّن خلايا كيسية بقدرة أمبير-ساعة عند درجات حرارة منخفضة

لماذا تهم البطاريات المقاومة للبرد

من السيارات الكهربائية في المناخات الثلجية إلى المجسات في القطب الشمالي العميق، تحتاج العديد من الأجهزة الحديثة إلى بطاريات تواصل العمل في البرد. بطاريات الليثيوم والصوديوم الحالية غالبًا ما تفقد طاقتها أو تتعطل تمامًا عند درجات حرارة منخفضة جدًا لأن الكيمياء الداخلية تبطؤ. تستكشف هذه الدراسة طريقة جديدة لبناء بطاريات أيون الصوديوم — باستخدام سائل مصمم خصيصًا داخل البطارية — بحيث يمكنها تخزين وتوفير الطاقة بشكل موثوق حتى عند درجات حرارة تصل إلى −50 °C.

تحدي تجمُّد البطاريات

تخزن البطاريات الطاقة عبر نقل ذرات مشحونة، تُسمى أيونات، بين قطبين صلبين عبر إلكتروليت سائل. في بطاريات أيون الصوديوم، يجب على أيونات الصوديوم أن تتخلل طبقة سطحية رقيقة وتدخل القطب السالب المصنوع من الكربون المعروف باسم الكربون الصلب. عند درجات الحرارة المنخفضة، تحدث مشكلتان: تتحرك الأيونات ببطء أكبر عبر السائل، وتواجه صعوبة في التخلي عن جزيئات المذيب التي تحيط بها قبل الدخول إلى الكربون الصلب. في الوقت نفسه، تميل الطبقة الواقية السطحية — المسماة بالطبقة البينية الصلبة للإلكتروليت — إلى أن تصبح أكثر سماكة ومقاومة في البرد. كل هذا يصعّب انتقال أيونات الصوديوم، لذا يمكن أن توفر البطارية طاقة أقل بكثير عندما تكون الحاجة إليها أكبر.

مزيج سائل جديد لتسهيل حركة الأيونات

عالج الباحثون هذه المشكلة بإعادة تصميم الإلكتروليت بحيث لا تضطر أيونات الصوديوم إلى نزع غلاف المذيب بالكامل قبل الدخول إلى الكربون الصلب. مزجوا مذيبين من الإيثر: ثنائي إيثيلين غليكول ديميثيل إيثر (G2)، الذي يلتصق بقوة بأيونات الصوديوم ويدعم حركة أيونية سريعة، و2-ميثيوكسولان (MO)، سائل أقل قطبية يبقى سائلاً عند درجات حرارة منخفضة جدًا. في الإلكتروليت الناتج «المتداخل المرافق للمذيب»، تنسق أيونات الصوديوم بشكل أساسي مع G2، بينما يعمل MO إلى حد كبير كمذيب حر غير رابط يساعد في إبقاء الخليط سائلاً حتى −50 °C. أظهرت المحاكاة الحاسوبية وقياسات المطيافية أن هذا الخليط يشكل بنية مستقرة ينتقل فيها الصوديوم وG2 معًا كمجموعة صغيرة.

السماح للأيونات بالدخول إلى الكربون دون نزع غلافها

بدلاً من إجبار أيونات الصوديوم على خلع غلاف المذيب عند سطح القطب، يسمح الإلكتروليت الجديد لمجموعات الصوديوم–G2 بالانزلاق مباشرة عبر الطبقة السطحية والدخول إلى الفراغات الطبقية داخل الكربون الصلب. تُعرف هذه العملية باسم التداخل المرافق للمذيب، وتتفادى خطوة «نزع الغطاء» البطيئة التي عادة ما تحد من الأداء في البرد. كشفت الاختبارات الميكروسكوبية والمطيافية أن الطبقة السطحية المتكوِّنة مع هذا الإلكتروليت أرق وأكثر غنى بالمركبات غير العضوية مقارنة بالأنظمة التقليدية. تحمي هذه التركيبة القطب بينما تسمح للأيونات بالعبور بسرعة. أكدت قياسات انتشار الأيونات والمقاومة الكهربائية أن الأيونات تتحرك بسرعة أكبر داخل الكربون وعبر الواجهة، خاصة عند درجات الحرارة المنخفضة.

أداء قوي حتى −50 °C

عندما اختبر الفريق خلايا بحجم عملة باستخدام الكربون الصلب والإلكتروليت الجديد، وجدوا أن البطاريات احتفظت بسعة وكفاءة عاليتين من درجة حرارة الغرفة حتى −50 °C. عند −50 °C، قدّم القطب المصنوع من الكربون الصلب حوالي 80% من كفاءة الشحن الابتدائية وحافظ على أكثر من 90% من سعته بعد 200 دورة شحن–تفريغ. وفيما يتجاوز الخلايا الصغيرة، بنى الباحثون خلايا كيسية — بطاريات مسطحة مشابهة لتلك في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية — بسعة تقارب 1.2 أمبير-ساعة. حققت هذه البطاريات الكاملة الخاصة بأيون الصوديوم طاقة نوعية مقدارها 163 واط-ساعة لكل كيلوجرام في درجة حرارة الغرفة و107 واط-ساعة لكل كيلوجرام عند −50 °C، وفي الوقت نفسه واصلت تشغيل مصابيح LED لأكثر من 10 ساعات داخل غرفة عند −50 °C.

ما يعنيه ذلك لبطاريات المناخ البارد في المستقبل

بالنسبة لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن المؤلفين وجدوا طريقة تسمح لأيونات الصوديوم بالاحتفاظ بغلاف المذيب المفيد أثناء دخولها إلى القطب الكربوني في البطارية. عبر صياغة إلكتروليت يبقى سائلاً في البرد ويكوّن طبقة سطحية رقيقة وصديقة للأيونات، أزالوا عنق زجاجة رئيسي في الأداء عند درجات الحرارة المنخفضة. قد يساعد هذا النهج في جعل بطاريات أيون الصوديوم — البديل الأرخص لبطاريات أيون الليثيوم — أكثر عملية للاستخدام في المناخات الشتوية، والمناطق المرتفعة، وغيرها من البيئات القاسية التي تحتاج إلى تخزين طاقة موثوق وبسعر ميسور.

الاستشهاد: Li, M., Liu, Z., Zhao, Y. et al. Enhanced sodium storage in hard carbon via solvent co-intercalation electrolyte enabling Ah-level pouch cells at low temperatures. Nat Commun 17, 1478 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69237-y

الكلمات المفتاحية: بطاريات أيون الصوديوم, بطاريات منخفضة الحرارة, تصميم الإلكتروليت, أقطاب سلبية من الكربون الصلب, تخزين الطاقة