بطارية ليثيوم أيون

كتاب بمشابك على صفحاته: لا يمكنك تقليب صفحة إلا إذا عرفت كيف تنقر على الحافة. هذا تقريبًا مبدأ عمل المادة الميتامواد الميكانيكية التي سنتحدث عنها. كل خلية فيها هي كتلة صغيرة داخل كتلة أكبر، متصلة بها عبر دعامة مرنة. يمكن للدعامة أن تتخذ وضعين مستقرين، مثل المفتاح الكهربائي. في أحد الوضعين، تكون الكتلة الداخلية شبه منفصلة عن الخارجية، ويستجيب الهيكل كله للدفعة بطريقة واحدة.

كومة من الصفحات قُلبت مرات عديدة تتذكر ذلك: بعض الأوراق تستوي بدقة، وبعضها ينتفخ، وفي أماكن تبقى ثنيات. هذا تقريبًا ما تفعله المواد الطبقية عندما تدخلها الأيونات. في دراسة جديدة، راقب العلماء رقائق مفردة من MXene، وهو كربيد التيتانيوم ثنائي الأبعاد، ورأوا كيف يغير تاريخ دورات الشحن والتفريغ بنيتها. لهذا الغرض، بنوا مجهرًا يتتبع انعكاس الضوء من كل رقيقة بدقة تصل إلى أجزاء من المليون من الثانية.

يمكن جعل الضوء ينحني عند الأمر، مثل الماء في خرطوم — إذا عرفت أين تضغط. هذا بالضبط ما تفعله الدوائر الكهروضوئية: تغيّر اتجاه الشعاع داخل الرقاقة بواسطة مجال كهربائي. المادة التقليدية لمثل هذه الحيل هي نوبات الليثيوم، وهي بلورة تستجيب للجهد كما يستجيب الوتر للنتفة. لكن حتى الآن كان لا بد من تقطيعها إلى أغشية رقيقة جدًا ولصقها على ركائز أخرى — مكلف ومتقلب.

مصادر الطاقة النظائرية المشعة التي تعمل باضمحلال ألفا للبلوتونيوم-238، ظلت لأكثر من ستين عامًا تغذي أجهزة تنظيم ضربات القلب والمركبات الفضائية. ومع ذلك، فإن المواد الخام لها شحيحة للغاية: الإنتاج العالمي للبلوتونيوم-238 يبلغ بضعة كيلوغرامات فقط في السنة، وهو ما يكفي بالكاد لتغطية احتياجات المهام الرئيسية.

في كل بطارية أو مكثف فائق، هناك لاعب غير ملحوظ لكنه مهم — الغراء البوليمري. فهو يربط جزيئات المادة النشطة ويساعدها على الالتصاق بمجمع التيار. في السابق، كان يُعتبر مجرد كتلة خاملة: موجود ولا يضر. لكن في هذا العمل، خرج الغراء إلى الواجهة. ملعب تتوزع فيه الأيونات كمتفرجين على المدرجات التي تمثل الأقطاب الكهربائية.

بطاريات السيارات الكهربائية المستعملة تتصرف كموسيقيين متقلبين: واحدة تعزف بصوت أعلى، وأخرى بصوت أخفض، وثالثة تفقد تناغمها دون سبب. تجميع بطارية منها عشوائياً يعني الحصول على نشاز: بعض الخلايا تتعرض لحمل زائد، وأخرى تبقى عاطلة، ويتعطل النظام بسرعة. حوّل المهندسون هذه المشكلة إلى مهمة لقائد الأوركسترا.

الإلكتروليت الصلب ليس مجرد شبكة بلورية، بل مدينة صاخبة نابضة للأيونات. كل عملية توصيل تشبه رحلة عبر المدينة: هناك طرق واسعة ذات حاجز طاقي منخفض، واختناقات مرورية في الممرات الضيقة، وتحويلات خادعة قد يعلق فيها الأيون. لعقود، كان المهندسون، مثل مخططي مدن غير بارعين، يعيدون ترتيب «المنازل» الذرية عشوائيًا، آملين العثور على شبكة نقل مثالية.

بطارية الليثيوم تشبه مدينة صغيرة: أيونات الليثيوم هي السكان الذين ينتقلون بين أحياء الأقطاب الكهربائية، مولّدين التيار. لكن لفهم كمية الطاقة التي يمكن أن تقدمها المدينة، لا يكفي معرفة تخطيط الشوارع (بنية المادة) فحسب، بل أيضًا كيفية تفاعل السكان مع الجيران ووسائل النقل وحتى الطقس. في فيزياء البطاريات، يُطلق على هذا اسم التبادل مع الخزانات — الإلكترونية والأيونية والحرارية.

شيخوخة البطارية تشبه إجهاد المعدن: الشق ينضج في الداخل قبل وقت طويل من كسر الجزء. عادةً ما نعرف المشكلة عندما تنخفض السعة إلى أقل من 80٪ — ولكن بحلول ذلك الوقت تكون الأضرار غير قابلة للإصلاح. تعلم مؤلفو العمل ملاحظة العلامات الأولى للتآكل من القياسات العادية التي يقوم بها جهاز الشحن نفسه: الجهد والتيار ودرجة الحرارة والمقاومة في كل دورة.

البطارية العادية في الهاتف تتنفس — لكن ليس الهواء، بل التلامس. داخل جسم صلب لا سوائل فيه، يضغط الليثيوم على الإلكتروليت (المادة الموصلة للأيونات) أثناء الشحن، وينسحب عنه أثناء التفريغ، مثل الرئتين عند الشهيق والزفير. هذا «التنفس» ليس شعرًا، بل فيزياء: كل دورة تولد وتقتل نقاط التلامس التي يمر عبرها التيار.

بطارية الليثيوم تشبه الساندويتش: قطعتا خبز هما القطبان، وبينهما الحشوة وهي الإلكتروليت، الذي تتنقل عبره أيونات الليثيوم ذهابًا وإيابًا. في البطاريات العادية تكون الحشوة سائلة، مثل الصلصة، وقد تتسرب أو تشتعل. أما في بطاريات الحالة الصلبة فالحشوة مثل شريحة جبن: لا تنساب، لكن المهم ألا تتفتت ولا تتفاعل مع الخبز.

الذاكرة العادية (فلاش) تخزّن البتات في مصائد إلكترونية، لكن لا يمكن قراءتها إلا عبر سلك منفصل ومضخم. في التطوير الجديد، تلعب نفس قطعة شبه المعدن التيلوريوم دور المخزن والمصباح معًا. عند تطبيق نبضة كهربائية قصيرة عليها، تعلق الإلكترونات في الطبقة الماصدة، ويبدأ البلورة نفسها بإصدار ضوء تحت أحمر. شدة هذا الضوء تُظهر أي من المستويات الـ16 مسجّل.

الأنود الغرافيتي العادي في بطارية الصوديوم يشبه مرآبًا ضيقًا بالكاد يتسع لشاحنة كبيرة. الصوديوم أكبر من الليثيوم ولا يتسع جيدًا بين طبقات الغرافيت، لذلك تفقد البطاريات سعتها بسرعة. وجد الباحثون حلاً: أخذوا ورقة غرافين وربطوا بها مجموعات أمينو من جانب واحد — "خطافات" جزيئية. النتيجة مادة ذات وجهين: وجه أملس والآخر مليء بالخطافات. عند شحن البطارية، يدخل الصوديوم إلى هذه المادة على ثلاث مراحل.

خيط معدني بسمك شعرة يخترق السيراميك كما يخترق الجذر الأسفلت. في البطاريات ذات الحالة الصلبة، تُسمى هذه الخيوط بالتشعبات، وتظهر عندما يتجاوز تيار الشحن العتبة الحرجة. الإلكتروليت الخزفي صلب لكنه هش مثل الزجاج. ينمو التشعب من عيب موجود مسبقًا على السطح البيني بين المعدن والسيراميك: إذا كان فتح الشق أرخص من دفع التيار حول العائق، يترسب المعدن مباشرة على طرف الخيط.

داخل كل بطارية، يتحرك سائل الإلكتروليت، وكيفية تزاحم الأيونات فيه تحدد مقدار الطاقة التي ستعطيها البطارية ومدى عمرها. في السابق، كان لاستكشاف هذا التزاحم إما إجراء تجارب طويلة أو تشغيل حسابات فائقة الدقة تستهلك أسابيع من وقت الحاسوب. الآن ظهر طريق ثالث: نموذج يتعلم من ملايين الأمثلة ويعطي الصورة شبه فوريًا. أخذ مؤلفو الدراسة نموذجين من هذا القبيل. درّبوا الأول على البلورات غير العضوية — فهو يعرف عالم المواد الصلبة.

البطارية الشمسية مثل القلب: إذا أجبرتها على النبض بإيقاع خاطئ، فإنها تتعب بسرعة. عادةً ما تُختبر الخلايا بتطبيق جهد عكسي، لكن في الحياة الواقعية، ظل ورقة أو طائر يجعل الخلايا المجاورة تمرر تيارًا غريبًا عبرها. درس مؤلفو العمل الجديد لأول مرة بالتفصيل ما يحدث عندما يُمرر تيار عكسي ثابت عبر خلية بيروفسكايت. مفتاح اللغز هو الطبقة البينية بين البيروفسكايت والقطب الشفاف.

شعاع الليزر الثابت كوتر مشدود: إذا اهتز قليلًا، تتحول الموسيقى إلى نشاز. في الحاسوب الكمومي، يحبس الليزر الذرات في مصيدة، وأي اهتزاز في التردد يكسر الحساب. لذلك، كانت أنظمة الليزر سابقًا تشغل طاولات كاملة، وكان ضبطها يستغرق أسابيع. الآن، نجحت مجموعة من المهندسين في ضغط كل هذه البصريات في خزانة خادم واحدة — مثل تلك الموجودة في مراكز البيانات.

البطارية الليثيومية تشبه منزلاً فيه مخزن: عند الشحن، يدخل الليثيوم إلى الداخل، وعند التفريغ يخرج. ولكن إذا امتلأ المخزن بالفوضى، يبقى جزء من الليثيوم في الداخل إلى الأبد. ويعتمد مقدار الليثيوم الذي يعود على المعدن الذي صنعت منه جدران المخزن. أخذ مؤلفو الدراسة أربعة معادن: الألومنيوم، والمغنيسيوم، والفضة، والنحاس. كل واحد منها يمتص الليثيوم بطريقته الخاصة.

داخل كل جسيم مجهري يشكل كاثود بطارية صوديوم-أيون، يتوزع الصوديوم بشكل غير متساوٍ: مثل السكر في الشاي الذي يتكتل، يتباين تركيزه من منطقة إلى أخرى. هذا الإنتروبيا — وهو مقياس للاضطراب في توزيع الأيونات — يقلل مباشرة من سعة البطارية وعمرها الافتراضي.

في البطارية العادية يوجد قطبان: الأنود والكاثود. في البطاريات الصلبة (حيث يكون الإلكتروليت صلبًا وليس سائلًا) يسعى المهندسون إلى الاستغناء عن الأنود كقطعة منفصلة: عندها تصبح البطارية أخف ويمكنها تخزين طاقة أكبر. الفكرة هي أنه أثناء الشحن، يترسب المعدن — مثل الليثيوم أو الصوديوم — على الملامس في طبقة منتظمة، وأثناء التفريغ يذوب تمامًا عائدًا.

البطارية في هاتفك أو سيارتك الكهربائية هي مصنع كيميائي صغير. في داخلها، تتنقل أيونات الليثيوم بين قطبين كهربائيين، وعند الحدود مع السائل الإلكتروليتي تتشكل طبقة رقيقة تحدد عمر البطارية. تُسمى هذه الطبقة الواجهة الصلبة-الإلكتروليتية. من الصعب رؤيتها مباشرة: فهي أرق من شعرة الإنسان وتتغير مع كل شحنة.

البطاريات الحديثة ذات الإلكتروليت السائل قد تتسرب أو تشتعل. الإلكتروليتات البوليمرية — الصلبة مثل البلاستيك — تحل هذه المشكلة، لكن الأيونات فيها تتحرك ببطء أكبر، وتفقد البطارية قوتها. ابتكر الباحثون خط إنتاج افتراضيًا: برنامج حاسوبي يولّد تراكيب جديدة من البوليمرات، كما يجرب الطاهي وصفات جديدة للعجين. من بين 1.7 مليون خيار، انتقى الخوارزم 767 واعدًا وحسب كيف تتحرك فيها أيونات الليثيوم.

الخلية الشمسية العادية تقوم بمهمة واحدة: عندما تشرق الشمس، يتدفق التيار. أما هنا، فعندما تشرق الشمس، يتدفق التيار بشكل مختلف اعتمادًا على الجهة التي تقرّب منها المغناطيس. تعمل طبقة من جزيئات الفوليرين (التي تشبه كرة القدم) كوسيط: فهي تولّد حاملات الشحنة تحت الضوء وتمرر عبرها إلكترونات ذات اتجاه دوران محدد، وكأنها تفرزها حسب اللف.

المنغنيز هو طوب الجدار، والزنك ضيف يأتي وينحشر بينها. إذا جلس الضيف بشكل غير مريح، فإنه يدفع الطوبة خارج البناء. هذا ما يحدث تقريبًا في بطارية الزنك-أيون: أثناء التفريغ، تندمج أيونات الزنك في الشبكة البلورية لأكسيد المنغنيز، ويبدأ المنغنيز بالتسرب إلى المحلول. حسب العلماء مدى ملاءمة الطاقة لمغادرة المنغنيز لمكانه، ووجدوا أنه في الطور المفرغ (ZnMn$$_2$$O$$_4$$) يحدث ذلك بسهولة.

تم溶解 قميص قديم في قلوي للحصول على هلام، وأصبح هذا الهلام قلب مخزن الطاقة. أما المكون الثاني فصُنع من الشيتوزان، وهي مادة مستخلصة من قشور الجمبري. لا معادن هنا: فقط قطن معاد تدويره ومأكولات بحرية. تم نقع الهلام في ملح الأمونيوم، فارتفعت موصليته بنحو الضعف: من 17.1 إلى 37.8 ملي سيمنز لكل سنتيمتر. الأمر أشبه باستبدال مسار ضيق للأيونات بطريق واسع — فالشحنات تتحرك أسرع.

المادة العادية تنهار بصمت. في البداية تتمزق داخلها خيوط جسرية غير مرئية، وعندها فقط يظهر شق يمكن رؤيته بالعين. مهندسون من جامعة كارنيغي ميلون علّموا المادة أن «تتكلم» عن هذه الأضرار الخفية. طبعوا بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد شبكة تشبه أقراص العسل، لكن بنمط أكثر تعقيدًا. أضافوا إلى الراتنج أنابيب كربون نانوية — موصلات متناهية الصغر بسمك بضعة ذرات.

الصوديوم هو جار الليثيوم في الجدول الدوري، لكنه أكثر وفرة في القشرة الأرضية بمئات المرات وأرخص بكثير. لذلك يمكن لبطاريات الصوديوم أن تحل محل بطاريات الليثيوم في السيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة. المشكلة أن الصوديوم أكبر حجمًا من الليثيوم، ويجد صعوبة أكبر في اختراق الشبكة البلورية للكاثود. المادة تتعب بسرعة، وتنخفض السعة.

تعيش النواة الذرية عادةً في حالة طاقة واحدة، مثل كرة ملقاة على الأرض. لكن لدى الثوريوم-229 استثناء نادر: يمكن للنواة أن تعلق على درجة صغيرة فوق الأرض — فيما يسمى الحالة الأيزومرية. هذه الدرجة منخفضة جداً لدرجة أنه يمكن الوصول إليها بضوء عادي، وليس بإشعاع قاسٍ. ولهذا السبب أصبح أيزومر الثوريوم-229 المرشح الرئيسي للساعات النووية — وهو جهاز يقيس الزمن بناءً على اهتزازات النواة نفسها، وليس الإلكترونات المحيطة بها.

داخل البطارية، كما في كعكة متعددة الطبقات، تتعايش طبقات صلبة مختلفة. المكان الذي تلتقي فيه هذه الطبقات — الحدود — يتصرف بشكل متقلب: تتركز فيه الضغوطات، ومع مرور الوقت تتقادم البطارية. لفهم هذه العمليات، نحتاج إلى نماذج حاسوبية ترى كل ذرة. لكن الحسابات الدقيقة مكلفة للغاية، والحسابات السريعة خشنة جدًا. يقترح مؤلفو الدراسة طريقة FIRE — وهي أسلوب لضبط نموذج عام على مهمة محددة.

في بطارية الليثيوم-الكبريت، يميل الكبريت إلى الذوبان والانتقال إلى القطب الآخر، فتفقد البطارية شحنتها خلال عشرات الدورات. لاحتواء هذا الهروب، يوضع غشاء فاصل بين القطبين. الغشاء البولي إيثيليني العادي يسمح بمرور أيونات الليثيوم، لكن جزيئات الكبريت تتسلل معها أيضًا. الباحثون كسوا هذا الغشاء بطبقات رقيقة: النيكل والكوبالت وسيراميك LAGP الذي يوصل أيونات الليثيوم، مثل ممر للرسل.

المحفز هو مادة تسرّع التفاعل الكيميائي دون أن تستهلك نفسها. أفضل محفز هو الذي تكون فيه كل ذرة معدنية ذات قيمة: فكلما كانت الجسيمات أدق، زاد عدد الذرات على السطح وزاد نشاط المادة. لطالما حلم العلماء بتثبيت ذرات معدنية مفردة على الركيزة، لكن تحقيق ذلك بشكل متجانس وبكميات كبيرة كان صعبًا. الطريقة الجديدة تشبه المعالجة بالرمل المضغوط، لكن بدل الرمل، هناك تدفق من أيونات المعدن.

حصّالة تسقط فيها العملات بسهولة، لكن لا يمكنك إخراجها إلا بكسرها. شيء مشابه يحدث مع مادة جديدة لبطاريات الصوديوم. إنها تقبل أيونات الصوديوم عن طيب خاطر أثناء الشحن، لكنها لا تُعيد شيئًا تقريبًا عند التفريغ. المادة ذات الصيغة Na4NiCr(PO4)3 تنتمي إلى عائلة NASICON — وهي هياكل إطارية حيث يمكن لأيونات الصوديوم أن تتنقل عبر شبكة ثلاثية الأبعاد من القنوات.

تدور 98 أيون باريوم في المعالج الجديد هيليوس على طول مسار مغلق، مثل الأحصنة في دوامة الخيل. تسمح هذه البنية المعمارية لأي أيون بتبادل البيانات مع أي أيون آخر، مما يجعل النظام مرنًا وقويًا. وتعطي نبضات الليزر الأوامر بسرعة الضوء، مثل عصا قائد الأوركسترا. المشكلة الرئيسية في الحوسبة الكمومية هي الأخطاء. كلما زاد تعقيد المهمة، زادت فرصة الفشل.