عندما تشحن هاتفك الذكي أو تقود سيارة كهربائية، نادرًا ما تفكر في الخطوات الدقيقة والدقيقة التي تدخل في تصنيع بطاريتها. ومع ذلك، فإن أداتين بسيطتين - أداة وضع البطارية وأداة الطلاء - أساسيتان في تكوين طبقات الأقطاب الكهربائية الرقيقة والموحدة التي تحدد كثافة طاقة البطارية وعمرها الافتراضي وسلامتها. مع تزايد الطلب العالمي على البطاريات (تتوقع وكالة الطاقة الدولية نموًا بمقدار عشرة أضعاف بحلول عام ٢٠٣٠)، تزداد هذه الأدوات، التي تعمل خلف الكواليس، ذكاءً ودقة. يوضح هذا المقال العلمي المبسط ماهية أداة وضع البطارية وأداة الطلاء، وكيفية عملها، وأهميتها لكل جهاز يعمل بالبطارية.
ما هي أجهزة تطبيق البطاريات والطلاء، ولماذا هي موجودة؟
تبدأ أقطاب البطارية - سواء الأنود (الجانب السالب، غالبًا الجرافيت) أو الكاثود (الجانب الموجب، مثل إن إم سي أو رابطة كرة القدم الأمريكية) - كعجينة سميكة تشبه الملاط. يخلط هذا الملاط المواد الفعالة (مثل فوسفات حديد الليثيوم للكاثودات) والمواد المضافة الموصلة (مثل الكربون الأسود) والمواد الرابطة (مثلبولي فينيل كلوريد) في مذيب. لتحويل هذا الخليط إلى قطب كهربائي فعال، هناك خطوتان أساسيتان:
الخلط والتحضير باستخدام أداة التطبيق: تأكد من أن الخليط مختلط بالتساوي، وخالٍ من التكتلات، وله القوام الصحيح.
الطلاء باستخدام الطلاء: ينشر الطلاء الملاط على مجمع تيار معدني رقيق (النحاس للأقطاب الموجبة والسالبة، والألومنيوم للكاثودات) لتشكيل طبقة ناعمة ومتسقة - عادة ما تكون بسمك 5-100 ميكرومتر فقط (أرق من شعرة الإنسان!).
أجهزة تطبيق البطاريات: "ميكس ماسترزدددددد من بطارية ملاط
صُممت أداة توزيع البطاريات (وتُسمى أيضًا أداة توزيع التشتيت دي دي اتش أو شفرات الخلط دي دي اتش) لتفتيت التكتلات، وتوزيع الإضافات بالتساوي، والتحكم في لزوجة (سمك) الملاط. تشبه هذه الأداة ملاعق مسطحة عالية التقنية، ولكنها مصممة بدقة عالية في التطبيقات الصناعية.
كيف تعمل؟
تستخدم معظم معامل ومصانع البطاريات أدوات تطبيق دوارة مُثبتة بخزانات الخلط. أثناء دوران الخزان، تضغط شفرة الأداة المرنة أو الصلبة على جدار الخزان، كاشفةً بذلك الملاط الجاف أو المتكتل الذي قد يُفسد الخليط. في الوقت نفسه، تُحرّك الشفرات الداخلية (التي غالبًا ما تكون على شكل مراوح أو حلزونات) الملاط، بينما تضمن أداة التطبيق عدم التصاق أي مادة بالخزان، وهو أمر بالغ الأهمية للحصول على نتائج ثابتة.
الميزات الرئيسية لجهاز تطبيق البطارية الجيد:
توافق المواد: الشفرات مصنوعة من مواد مقاومة للتآكل مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، والتيفلون، أو السيراميك. تُعد أدوات تطبيق التيفلون مثالية للمواد الحمضية (مثل تلك التي تحتوي على حمض الكبريتيك)، بينما تتعامل أدوات تطبيق السيراميك مع المواد الكاشطة (مثل المواد الأنودية القائمة على السيليكون) دون خدش الخزان.
ضغط قابل للتعديل: يمكن ضبط أداة التطبيق لتطبيق 0.5–5 نيوتن من الضغط - وهو ما يكفي لإزالة التكتلات ولكن ليس كثيرًا بحيث يتسبب في إتلاف الخزان أو قص (تفكيك) المواد النشطة الحساسة مثل جزيئات إن إم سي.
مزامنة السرعة: تُزامن سرعة دوران أداة التطبيق مع الخلاط (عادةً ٥٠-٥٠٠ دورة في الدقيقة) لتجنب تكوّن فقاعات الهواء. تُؤدي هذه الفقاعات في الملاط إلى ثقوب في القطب، مما يُسبب قصرًا كهربائيًا.
أنواع أدوات التطبيق للخلطات المختلفة
أداة تطبيق صلبة (فولاذ مقاوم للصدأ): تُستخدم للخلطات السميكة عالية اللزوجة (مثل خلطات كاثود رابطة كرة القدم الأمريكية بنسبة 60% من المواد الصلبة). شفراتها الصلبة تدفع المواد الكثيفة لضمان خلط متساوٍ.
أداة تطبيق مرنة (مطلية بالتفلون): مثالية للخلطات منخفضة اللزوجة (مثل خلطات أنود الجرافيت). تتوافق الشفرة المرنة مع شكل الخزان، فلا تترك أي رواسب.
أدوات التطبيق مزدوجة الحركة: تجمع بين شفرة داخلية صلبة للخلط وشفرة خارجية مرنة للكشط - تُستخدم في المختبرات المتقدمة لاختبار تركيبات الملاط الجديدة (على سبيل المثال، ملاط بطاريات أيونات الصوديوم مع إضافات غير عادية).
طلاءات البطاريات: تحويل الملاط إلى طبقات أقطاب كهربائية موحدة
بمجرد خلط الملاط، يتولى طلاء البطاريات المهمة. تتمثل مهمتهم في توزيع الملاط على مجمع تيار (مثل لفافة من رقائق النحاس) في طبقة متساوية السُمك، ناعمة، وخالية من العيوب. تُعد هذه الخطوة من أكثر الخطوات دقة في تصنيع البطاريات، فحتى خطأ ميكرومتر واحد قد يُتلف القطب الكهربائي.
أجهزة طلاء المختبرات صغيرة الحجم (بحجم جهاز كمبيوتر محمول تقريبًا) وسهلة التعديل، وهو أمر بالغ الأهمية لاختبار المواد الجديدة. على سبيل المثال، يمكن للباحث الذي يختبر أنودًا من السيليكون والجرافيت تبديل القضبان لتجربة طبقات بسمك 5 أو 10 أو 15 ميكرومترًا، ثم قياس مدى تأثير السُمك على السعة وعمر دورة العمل.
الطلاءات الصناعية (للإنتاج الضخم)
تستخدم المصانع آلات طلاء ذات فتحات، وهي آلات آلية كبيرة تُغطي أميالاً من رقائق تجميع التيار الكهربائي في الساعة. إليك العملية:
يتم ضخ الملاط إلى فتحة ضيقة يتم تصنيعها بواسطة آلة دقيقة ("slot ماتت (فتحة دقيقة يتم تصنيعها بواسطة آلة دقيقة)) فوق لفة متحركة من الرقاقة المعدنية (على سبيل المثال، رقاقة نحاسية بعرض متر واحد تتحرك بسرعة تتراوح بين 1 إلى 5 أمتار في الثانية).
تطلق القالب كمية محددة من الملاط على الرقاقة، بينما تقوم شفرة "doctor (شريط معدني رفيع) بقص الجزء العلوي من الطبقة لضمان سمك موحد.
تقوم أجهزة الاستشعار (الليزر أو الموجات فوق الصوتية) بمراقبة الطبقة في الوقت الحقيقي - إذا كان السمك يختلف بمقدار يزيد عن 0.5 ميكرومتر، تقوم الآلة بضبط ضغط القالب أو سرعة الرقاقة تلقائيًا.
لماذا تعتبر هذه الأدوات ضرورية لتحسين الأداءتيريز؟
قد تبدو أداة التطبيق والطلاء بسيطة، ولكنها تؤثر بشكل مباشر على ثلاثة مقاييس رئيسية لأداء البطارية:
كثافة الطاقة: طبقة الأقطاب الكهربائية المتجانسة تعني إمكانية تعبئة المزيد من المواد الفعالة في البطارية (بدون فجوات أو تكتلات). على سبيل المثال، يتسع كاثود إن إم سي المغطى جيدًا لأيونات ليثيوم أكثر بنسبة 20% من كاثود متكتل، مما يزيد مدى السيارة الكهربائية بأكثر من 100 كيلومتر.
عمر الدورة: تُسبب الطبقات غير المتساوية ضغطًا أثناء الشحن (حيث تتمدد بعض المناطق أكثر من غيرها)، مما يؤدي إلى تشقق الأقطاب الكهربائية. وجدت دراسة أجرتها جامعة ستانفورد أن الأقطاب الكهربائية المصنوعة باستخدام طلاء دقيق احتفظت بنسبة 90% من سعتها بعد 1000 دورة، مقارنةً بنسبة 65% للأقطاب الكهربائية ذات الطلاء الضعيف.
السلامة: تُعدّ البقع الساخنة الناتجة عن الطبقات غير المستوية سببًا رئيسيًا لحرائق البطاريات. تعمل أجهزة الطلاء المزودة بأجهزة استشعار آنية على إزالة هذه البقع الساخنة، مما يجعل البطاريات أكثر أمانًا للسيارات الكهربائية والهواتف الذكية.
الابتكارات التي تجعل أدوات التطبيق والطلاء أفضل
تُعدّ أجهزة تطبيق وطلاء البطاريات من أهمّ العناصر في مجال تخزين الطاقة. فبدون دقتها، لكانت بطاريات أيونات الليثيوم التي تُشغّل هواتفنا وسياراتنا وشبكاتنا الكهربائية أقلّ كفاءةً وأقصر عمرًا وأقلّ أمانًا. ومع انتقالنا إلى الجيل التالي من البطاريات - بطاريات الحالة الصلبة، وبطاريات أيونات الصوديوم، وبطاريات الليثيوم والكبريت - ستزداد أهمية هذه الأدوات. فهي تُذكّرنا بأنّ الابتكارات الكبيرة غالبًا ما تعتمد على أدوات دقيقة وصغيرة: تلك التي تُحوّل الرواسب الفوضوية إلى طبقات مثالية تُغذّي مستقبلنا.
سواء كنت باحثًا يختبر مادة قطب كهربائي جديدة في أحد المختبرات أو عامل مصنع يصنع بطاريات السيارات الكهربائية، فإن الأدوات والمطبقات تثبت أن "hperfect" ليس حادثًا - بل هو نتيجة لأدوات مصممة للحصول على كل ميكرومتر بشكل صحيح.
