مؤخرًا، حقق باحثون صينيون اختراقًا في كثافة الطاقة وعنق الزجاجة في الأداء لبطاريات الليثيوم-أيون التقليدية، حيث طوّروا خلايا مرنة بغطاء ناعم بكثافة طاقة تتجاوز 600 واط-ساعة/كجم، وبطاريات وحدات بسعة 480 واط-ساعة/كجم. وتؤدي مؤشرات الأداء هذه مباشرةً إلى تحسين كثافة الطاقة وعمر البطارية لبطاريات الليثيوم-أيون الحالية بمقدار 2-3 مرات.

مع التطور السريع للمجالات الناشئة مثل النقل الكهربائي، واقتصاد الارتفاعات المنخفضة، والإلكترونيات الاستهلاكية، والروبوتات البشرية، أصبح الطلب على البطاريات القابلة لإعادة الشحن ذات الطاقة العالية والعمر الطويل أكثر إلحاحًا. وتُعد كثافة الطاقة مؤشرًا أساسيًا في البطاريات، وكيفية تخزين طاقة أكبر مع تقليل الوزن والحجم يُمثل تحديًا تقنيًا يسعى الباحثون حول العالم إلى تجاوزه.

تُعتبر بطاريات الليثيوم المعدني، التي تتفوق كثافة طاقتها النظرية بشكل كبير على بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية، تقنية بطاريات من الجيل التالي يمكنها معالجة اختناقات الأداء وعمر البطارية في البطاريات الحالية. ومع ذلك، لا تزال تصميمات الإلكتروليت الحالية تجد صعوبة في تلبية متطلبات تحسين خرج الطاقة في البطارية وعمر الدورات في الوقت نفسه.

بعد سنوات من البحث الابتكاري والاختراقات التقنية، ابتكر فريق بحثي من جامعة تيانجين وشركاؤه مفهوم تصميم «غير موضّع» لإلكتروليتات بطاريات الليثيوم المعدني عالية الطاقة. ويكسر هذا المفهوم اعتماد تصميم الإلكتروليت التقليدي على بنية إماهة مهيمنة، محققًا تحسينًا في كثافة الطاقة والأداء العام معًا. وقد نُشرت نتائج البحث في المجلة الأكاديمية الدولية Nature في 13 أغسطس.

وأوضح هو ونبين، الأستاذ في كلية علوم وهندسة المواد بجامعة تيانجين وقائد الفريق، أن الفريق من خلال هذا الابتكار حقق أهداف الأداء للبطارية عالية كثافة الطاقة «Battery600»، ونجح في تحقيق قابلية التوسّع لحزمة البطارية عالية كثافة الطاقة «Pack480»، مما وضع أساسًا مهمًا للتطبيق المستقبلي لبطاريات الليثيوم المعدني. علاوة على ذلك، تُظهر هذه التقنية أيضًا استقرارًا ممتازًا في دورات الشحن والتفريغ وسلامة عالية.

وفي الوقت الحالي، وبالاستفادة من منصات وطنية مثل منصة جامعة تيانجين الوطنية للابتكار في التكامل بين الصناعة والتعليم لتكنولوجيا تخزين الطاقة ومن المختبر الوطني الرئيسي للمواد الوظيفية للمعادن النفيسة، يعمل الفريق بنشاط على تعزيز التحويل التقني والتحقق من التطبيق لهذه النتائج. وقد أنشؤوا بالفعل خط إنتاج تجريبي لبطاريات الليثيوم المعدني عالية الطاقة، والتي تم تطبيقها بنجاح على ثلاثة طرازات من الطائرات غير المأهولة الكهربائية الصغيرة بالكامل في بلدي، مما زاد زمن الطيران بمقدار 2.8 مرة مقارنة بالبطاريات الحالية.

ويُذكر أن الفريق قد أتقن حاليًا التقنيات الأساسية للسلسلة الكاملة لبطاريات الليثيوم عالية الطاقة، أي «المواد-الإلكتروليت-القطب الكهربائي-البطارية». جميع المواد الخام والتقنيات الرئيسية قابلة للتحكم بشكل مستقل، كما يمتلك الفريق القدرة على الإنتاج الكمي بدرجة عالية من الاتساق. ومن المتوقع أن يدخل الإنتاج الكامل حيز التشغيل في النصف الثاني من هذا العام.