يقوم الباحثون بتطوير أول خلية وقود في العالم باستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ، قادرة على تشغيل الهواتف الذكية لمدة أسبوع وتمديد وقت طيران الطائرة بدون طيار لأكثر من ساعة واحدة.
على مدى العقد الماضي، تطورت تكنولوجيا الهاتف المحمول بسرعة. أصبحت الهواتف الذكية والساعات الذكية والكاميرات والطائرات بدون طيار أكثر ذكاءً وقوة من أي وقت مضى.
ومع ذلك، فإن تطوير هذه التقنيات واجه دائمًا تحديًا كبيرًا: إمدادات الطاقة.
ومن خلال التطبيقات المبتكرة للمواد الفولاذية، قد يتم التغلب على هذا القيد قريبًا، مما يؤدي إلى إنشاء جيل جديد من حلول الطاقة للأجهزة الإلكترونية المستقبلية.
تقنية بطارية أطول-تدوم
قام الباحثون في جامعة بوهانج للعلوم والتكنولوجيا في كوريا الجنوبية، بقيادة البروفيسور جيونج مان تشوي وباحث الدكتوراه كون جونج كيم، بتطوير نوع جديد من خلايا الوقود من خلال الجمع بين الفولاذ المسامي المقاوم للصدأ مع -الشوارد الكهربائية الرقيقة والأقطاب الكهربائية ذات السعة الحرارية الدنيا.
يوفر التصميم الجديد متانة أفضل وعمر خدمة أطول مقارنةً ببطاريات الليثيوم-أيون التقليدية.
يمكن لخلية الوقود تشغيل الهاتف الذكي لمدة أسبوع بعد شحنه مرة واحدة.
طور الباحثون خلية وقود أكسيد صلب مصغرة (SOFC) يمكنها توفير طاقة كافية لتشغيل الهواتف الذكية لمدة أسبوع تقريبًا والطائرات بدون طيار لأكثر من ساعة.
واقترحوا أيضًا أنه استنادًا إلى مزاياها الهيكلية، من الممكن تطوير هذه التقنية إلى خلايا وقود أكبر حجمًا وبتكلفة معقولة للجيل التالي- من أنظمة طاقة السيارات.
باستخدام إلكتروليت الأكسيد، تنقل خلية الوقود أيونات الأكسجين إلى قطب الوقود، وتحول الهيدروجين إلى طاقة كهربائية.
غالبًا ما تستخدم خلايا وقود الأكسيد الصلب المصغرة التقليدية السيليكون كمواد داعمة. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي عدم التطابق الحراري بين مواد السيليكون والكهارل إلى التدهور السريع أثناء التشغيل.
قلب الفولاذ المقاوم للصدأ
للتغلب على هذه القيود، اختار البروفيسور تشوي تصميمًا يعتمد على الفولاذ المقاوم للصدأ المسامي.
مقارنةً بالهياكل القائمة على السيليكون-، أدى التصميم المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ إلى تحسين أداء خلايا الوقود ومتانتها.
وفقا للبروفيسور تشوي وفريقه البحثي، تم اختيار الفولاذ المقاوم للصدأ بسبب ثباته الديناميكي الحراري الممتاز، وقوته الميكانيكية، ومقاومته لتفاعلات الأكسدة والاختزال.
بالنسبة لأجهزة الطاقة المتقدمة مثل أنظمة SOFC- الدقيقة، يعد اختيار المواد أمرًا بالغ الأهمية. تستخدم منتجات الفولاذ المقاوم للصدأ مثل 304 لوحة الفولاذ المقاوم للصدأ على نطاق واسع في التطبيقات الدقيقة بسبب مقاومتها المتوازنة للتآكل، والخصائص الميكانيكية، وأداء التصنيع.
وفي الوقت نفسه، توفر لوحة الفولاذ المقاوم للصدأ 316 مقاومة معززة للتآكل بسبب محتواها من الموليبدينوم، مما يجعلها مناسبة للبيئات الأكثر تطلبًا حيث يتطلب استقرار المواد.
التصنيع المتقدم للفولاذ المقاوم للصدأ لتطبيقات الطاقة
تم تصنيع خلية الوقود المصغرة باستخدام عملية صب وتصفيح الشريط (TCL)، وهي تقنية مشابهة للطباعة ثلاثية الأبعاد تتيح إنتاجًا دقيقًا لهياكل الطبقات الرقيقة-.
يتيح استخدام صفائح الفولاذ المقاوم للصدأ للمهندسين تطوير مكونات خفيفة الوزن وعالية الدقة مع الحفاظ على القوة الهيكلية.
بالنسبة لتقنيات الطاقة من الجيل التالي-، يحتاج المصنعون بشكل متزايد إلى مواد تجمع بين:
- قوة عالية
- الاستقرار الحراري
- مقاومة التآكل
- التحكم الدقيق في الأبعاد
تجعل هذه المتطلبات من الفولاذ المقاوم للصدأ اختيارًا مهمًا للمواد للتطبيقات الإلكترونية المتقدمة والمتعلقة بالطاقة-.
مستقبل الطاقة المحمولة
أظهر البحث، المنشور في مجلة Scientific Reports، أن خلايا وقود الأكسيد الصلب المصغرة المصممة للأغشية الرقيقة (-SOFCs) يمكن أن تحقق طاقة محددة وكثافة طاقة أعلى.
وإذا تم تسويق هذه التكنولوجيا بنجاح، فيمكن أن تحل محل بطاريات الليثيوم جزئيًا في الأجهزة الإلكترونية المحمولة.
وأوضح الباحثون أن تقنية البطاريات هذه مناسبة للإلكترونيات المحمولة التي تتطلب كثافة طاقة عالية ودورة حرارية سريعة.
على الرغم من أنه من المتوقع أن تكون الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء والطائرات بدون طيار تطبيقات رئيسية، إلا أن الاستخدامات المحتملة تمتد إلى ما هو أبعد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.
يمكن أن تتضمن التطبيقات المستقبلية طائرات خفيفة للغاية-مثل e-Gull، والجيل القادم من المنازل الذكية-، وحتى المركبات الكهربائية مثل Tesla Model 3.
مع استمرار تطور تقنيات الطاقة، ستستمر المواد المتقدمة بما في ذلك مكونات الفولاذ المقاوم للصدأ الدقيقة وألواح الفولاذ المقاوم للصدأ وألواح الفولاذ المقاوم للصدأ في دعم الابتكار في خلايا الوقود والإلكترونيات وأنظمة الطاقة النظيفة.
