البطاريات القابلة للتمدد تجعل الإلكترونيات المرنة أكثر أهمية

تكتسب البطارية القابلة للتمدد زخمًا في صناعة الإلكترونيات، حيث قد تعمل يومًا ما كوسيلة لتخزين الطاقة في أجهزة تتبع اللياقة البدنية، والإلكترونيات القابلة للارتداء، وحتى الملابس الذكية.

ويعتقد الباحثون أن هذا المفهوم سيصبح أكثر قيمة في العقد المقبل، حيث تقترب الأجهزة الإلكترونية أكثر فأكثر من جلد الإنسان. وقال جيمس بيكول، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة ويسكونسن ماديسون: “بالنسبة للعديد من التطبيقات، مثل الأجهزة القابلة للارتداء، تعد قابلية التمدد ضرورية لأن جلدنا يتمدد أثناء تحركنا”. “البطارية المرنة فقط ستشعر بعدم الراحة عند ارتدائها.”

تعمل البطارية القابلة للتمدد مثل الشريط المطاطي، في حين أن البطاريات المرنة تشبه قطعة من الورق، والتي يمكن أن تنحني ولكنها لا تتمدد.

ويعمل بيكول وآخرون حول العالم الآن على بطاريات قابلة للتمدد. تختلف البطاريات الجديدة عن “البطاريات المرنة” المعروفة عمومًا من حيث أنها تتحمل قوى التوتر المحوري – القوى الطولية المؤثرة على الجسم والتي تشمل التوتر والضغط – وسوف تتمدد بشكل مرن عند تطبيق هذه القوة. في جوهرها، تتصرف البطارية القابلة للتمدد مثل الشريط المطاطي، في حين أن البطاريات المرنة تشبه قطعة من الورق، والتي يمكن أن تنحني ولكن لا تتمدد.

بقع تجادل للامتدادات

ينبع الاهتمام الحديث بالبطاريات القابلة للتمدد من الاستخدام المتزايد للرقعات القابلة للارتداء غير المزودة بالطاقة والتي تراقب الدم وحتى العرق. على سبيل المثال، تقوم شركة جاتوريد Gatorade الآن بتسويق رقعة جلدية تسمى Gx Sweat Patch، والتي تساعد على تتبع مستوى الترطيب الشخصي. تقدم العديد من الشركات الأخرى رقعًا طبية يمكن ارتداؤها، والعديد منها سيستفيد من دمج مصدر للطاقة. وقال تييري جينيزيان، الأستاذ في قسم الإلكترونيات المرنة في كلية المناجم سانت إتيان في فرنسا: “إننا نشهد استخدام الإلكترونيات الدقيقة في كل مكان”. “وتحتاج تلك الإلكترونيات إلى الطاقة. أحد الحلول هو تطوير بطاريات صغيرة يمكن أن تكون غير مرئية تمامًا.

“لقد قمنا بتمديد البطارية، ولفها، وضربها بمطرقة، وما زلنا أظهرنا أنها قادرة على تشغيل محرك سيرفو باستمرار في ظل كل هذه التشوهات.” —جيمس بيكول، جامعة ويسكونسن-ماديسون

جينيزيان هو جزء من مجموعة نشرت ورقة بحثية في فبراير في المجلة تقنيات المواد المتقدمة على بطارية سلك ليثيوم أيون قابلة للتمدد. وتستخدم البطارية السلكية، التي يبلغ قطرها 1.4 ملم وطولها أكثر من 20 سم، نسيجًا نحاسيًا ملتويًا كمجمع للتيار. لقد تم تصنيعها باستخدام كيمياء البطاريات التقليدية مثل أكسيد كوبالت الليثيوم (LCO) وألومنيوم نيكل الليثيوم والكوبالت (NCA، المشهور لبعض الوقت في سيارات تسلا). أفاد الباحثون أن بطاريتهم يمكن تمديدها بنسبة تصل إلى 22 بالمائة ويمكن استخدامها في التطبيقات بما في ذلك الرقع الطبية الحيوية وأجهزة تتبع الصحة والمنسوجات الذكية وساعات اليد. قال جينيزيان إن جزءًا كبيرًا من جاذبية البطارية يكمن في الراحة البسيطة. “إذا كنت تمارس تمرين اليوغا، فقد يسحب قميصك عليك. وإذا كان لديك بطاريات غير قابلة للتمدد، فستشعر بذلك.

وبالمثل، فإن بيكول جزء من مجموعة نشرت بحثًا في شهر مارس في المجلة مواد وظيفية متقدمة على بطاريات هوائية معدنية قابلة للتمدد. تعالج بطارية الهواء المعدني الجديدة حقيقة بسيطة تتعلق بعمر البطارية، وهي أن المعادن الصلبة قد تصنع أنودات وكاثودات جيدة، لكنها لا تتمدد. الحل لهذه المعضلة هو تصميم معماري يسمح فيه للأقطاب الكهربائية المعدنية للبطارية بالانزلاق بحرية بين غلافها والكهارل الخاص بها، وكلاهما يفعل تمتد.

والنتيجة هي أن الأجزاء النشطة من البطارية – الأنود والكاثود – لا تحتاج إلى التمدد. في جوهرها، فإنها تنزلق عبر وجه المنحل بالكهرباء. يتكون المنحل بالكهرباء من هيدروجيل، وهي مادة تقريبًا ذات قوام عدسة لاصقة ناعمة. وأوضح بيكول: “إن الأنود والكاثود عبارة عن كتل، وينزلقان عبر المكونات الأخرى التي تقوم بالتمدد”. تستخدم البطارية السلكية أنودًا معدنيًا، عادةً ما يكون من الزنك، وقطعة قماش من الكربون محملة بالبلاتين، ككاثود “هواء”. البطارية غير قابلة لإعادة الشحن، وتشمل تطبيقاتها الرقع الطبية وأدوات السمع.

إضافة الزنك إلى الخليط

يقوم الباحثون أيضًا بتطوير بطاريات قابلة للتمدد مصممة من أجل السلامة، والتي يمكن استخدامها حتى في التطبيقات التي تتلامس فيها البطارية السلكية، على سبيل المثال، مع الجلد الرطب لمستخدم متعرق. في بحث نشر في فبراير في المجلة صغيريقول المؤلفان تشاو وانج وجيان تشو إن المفتاح لمثل هذه البطاريات هو كيمياء أيون الزنك القابلة للتمدد والتي تستخدم المنحل بالكهرباء المائي. ويقولون إن مثل هذه البطاريات أكثر أمانًا من بطاريات الليثيوم أيون، التي تستخدم إلكتروليتًا عضويًا “قابلاً للاشتعال بطبيعته”. وكتب تشو في رسالة بالبريد الإلكتروني: “يمكن للبطاريات القابلة للتمدد ذات الإلكتروليتات المائية أن تمنحنا الأمان المطلق والطاقة الموثوقة أثناء التشوه”.

يصف المؤلفون العديد من كيمياء أيونات الزنك، والتي تتضمن في الغالب أنود الزنك وكاثود أكسيد المنغنيز أو كاثود الفضة. تتراوح سعة الطاقة لأيون الزنك القابل للتمدد من بضعة مللي أمبير/ساعة لكل جرام إلى ما يصل إلى 300 مللي أمبير لكل جرام. وقال تشو: “بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، تتمتع بطاريات أيون الزنك القابلة للتمدد بكثافة طاقة أقل، لكنها يمكنها تشغيل معظم وحدات استهلاك الطاقة”، بما في ذلك أجهزة الاستشعار والترانزستورات وشاشات العرض. وأضاف أنه من خلال الهندسة الدقيقة، يمكن تمديد البطاريات بنسبة تزيد عن 900 بالمائة.

وعلى عكس بطاريات الهواتف المحمولة، التي تستهلك الكثير من حجم ووزن المنتج الإجمالي، من المتوقع أن يكون الجيل الجديد من البطاريات القابلة للتمدد غير مرئي تقريبًا. ويبلغ قطر معظمها أقل من 2 ملم، وتزن بضعة جرامات فقط.

علاوة على ذلك، لا يبدو أن المتانة تمثل مشكلة مع أي من البطاريات الرقيقة القابلة للتمدد. وقال الباحثون إنهم أخضعوا بطارياتهم القابلة للتمدد لإساءة استخدام كبيرة دون وقوع أي حادث. وقال بيكول: “لقد قمنا بتمديد البطارية، ولفها، وضربها بمطرقة، وما زلنا أظهرنا أنها قادرة على تشغيل محرك مؤازر باستمرار في ظل كل هذه التشوهات”.

يعتقد خبراء البطاريات أن المفهوم القابل للتمدد قابل للتطبيق، ومن المرجح أن يجد سوقًا. وقال دونالد سادواي، أستاذ علوم المواد المتقاعد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومؤسس مؤسسة سادواي لابز، وهي مؤسسة بحثية غير ربحية تهدف إلى اكتشافات جديدة للبطاريات: “نعم، من حيث المبدأ، يمكن صنع بطارية قابلة للتمدد، بشرط أن يكون هناك أنود مناسب”. “لكن ربما تكون المرونة هي ما نحتاجه، وليس بالضرورة أن تكون قابلة للتمدد.” وأضاف سادواي أنه قام ببناء بطارية ساعة يد قابلة للتمدد في التسعينيات، لكنه وجد أنه من المبكر جدًا طرحها في السوق.

ولا يعرف أي من الباحثين اليوم متى سيصل الجيل الجديد من البطاريات إلى السوق، لكنهم يتوقعون نمو الطلب عليها. وقال بيكول: “في السنوات العشر الماضية، كانت هناك كل هذه التطورات في مجال الإلكترونيات القابلة للتمدد، والآن هناك الكثير من التطبيقات الجديدة”. “لذلك هناك حاجة إلى تشغيل هذه الأجهزة القابلة للتمدد، والحل المنطقي هو الحصول على بطاريات قابلة للتمدد.”