المؤلفون الأوائل: مياو تشنغ، شاوتشينغ بان
المؤلف المسؤول عن المراسلات: بو ليو
عنوان المقال: "جسيمات نانوية ثنائية المعدن من البزموت والقصدير مثبتة في الموقع في ألياف الكربون النانوية كقطب موجب مرن ذاتي الدعم لبطاريات أيونات المغنيسيوم المتقدمة"
عامل التأثير: 13.4
رابط المقال: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159626
01 نبذة عن المدرب
الأستاذ ليو بو باحث في كلية علوم وهندسة المواد بجامعة سوتشو للعلوم والتكنولوجيا. كما يشغل منصب باحث مساعد في معهد شنغهاي لأنظمة المعلومات الدقيقة وتكنولوجيا المعلومات (SIMIT) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم، وأستاذ زائر في جامعة تشيلو للتكنولوجيا. يركز بحثه بشكل أساسي على المواد والأجهزة الكهروضوئية النانوية. قاد أو شارك في أكثر من 60 مشروعًا بحثيًا، بما في ذلك مبادرات وطنية كبرى مثل البرنامج الوطني الصيني للبحوث الأساسية (البرنامج 973). حتى الآن، نشر 317 مقالًا في مجلات علمية محكمة (منها 230 بحثًا مفهرسًا في قاعدة بيانات SCI)، وحصل على 119 براءة اختراع صينية و5 براءات اختراع أمريكية.
02 خلفية البحث
مع التطور المتسارع للأجهزة الإلكترونية المرنة، بات استكشاف وتطوير أنظمة تخزين الطاقة المرنة عالية الأداء أمرًا بالغ الأهمية. ومن بين هذه الأنظمة، حققت بطاريات الليثيوم أيون المرنة تقدمًا ملحوظًا في التطبيقات العملية التي تشمل الإلكترونيات المرنة والأجهزة القابلة للارتداء؛ إلا أن تحديات لا تزال قائمة أمام تطويرها وتطبيقها على نطاق أوسع، وتحديدًا التكاليف الباهظة المرتبطة بموارد الليثيوم المحدودة، ومخاطر السلامة الناجمة عن تكوّن التشعبات الليثيومية غير المنضبطة. ونتيجة لذلك، ثمة حاجة ملحة لتطوير أنظمة بطاريات بديلة تتميز بوفرة طبيعية عالية، وتكلفة منخفضة، ومستوى عالٍ من الأمان. وتُعدّ بطاريات المغنيسيوم أيون القابلة لإعادة الشحن واعدة جدًا كبديل موثوق لأنظمة الليثيوم، نظرًا لوفرة موارد المغنيسيوم وانخفاض تكلفتها، وامتلاكها سعة نوعية نظرية عالية، وجهد اختزال مناسب، وعدم تكوّن التشعبات أثناء عمليات الترسيب/الذوبان الكهروكيميائية، فضلًا عن توفيرها مستوى عالٍ من الأمان التشغيلي. ومع ذلك، لا تزال الأبحاث المتعلقة بمواد الأقطاب الكهربائية المرنة لبطاريات المغنيسيوم أيون قليلة. وفي السنوات الأخيرة، حظيت تقنية الغزل الكهربائي باعتراف واسع النطاق كإحدى أكثر التقنيات ملاءمةً وفعاليةً من حيث التكلفة وجدوىً صناعيةً لتصنيع الأغشية المسامية ثلاثية الأبعاد. وبالتالي، يركز عدد متزايد من الباحثين على استخدام المواد المركبة القائمة على الألياف النانوية المغزولة كهربائياً كأقطاب كهربائية مرنة.
03 أبرز النقاط في الورقة البحثية / الملخص
مع التطور غير المسبوق لتكنولوجيا الإلكترونيات المرنة، أصبح تطوير أنظمة إمداد طاقة مرنة متوافقة ضرورة ملحة. تُظهر بطاريات أيونات المغنيسيوم، باعتبارها نظام بطاريات واعدًا من الجيل التالي، إمكانات هائلة كمصادر طاقة للأجهزة الإلكترونية المرنة. ومع ذلك، لا تزال الأبحاث المتعلقة ببطاريات أيونات المغنيسيوم المرنة في مراحلها الأولى؛ لذا، يُعد استكشاف أقطاب كهربائية مرنة جديدة وموثوقة أمرًا بالغ الأهمية. في هذا العمل، تم تصنيع قطب كهربائي مرن ذاتي الدعم وخالٍ من المواد الرابطة باستخدام تقنية الغزل الكهربائي مع... في الموقع عملية الاختزال الحراري. يتكون هذا القطب من جسيمات نانوية ثنائية المعدن من البزموت والقصدير مثبتة داخل ألياف نانوية كربونية (CNF@Bi-Sn)، ويُستخدم لأول مرة في بطاريات أيونات المغنيسيوم. يجمع تصميم CNF@Bi-Sn بين عدة مزايا: هيكل هرمي مسامي من الألياف النانوية الكربونية، وجسيمات نانوية من البزموت والقصدير موزعة بانتظام، وكثافة عالية لحدود الطور/الحبيبات. تُسهم هذه الخصائص مجتمعةً في تعزيز الاستقرار الهيكلي لمادة القطب المرنة وتسهيل حركية انتشار أيونات المغنيسيوم (Mg²⁺). يُظهر مصعد سبيكة CNF@Bi-Sn أداءً كهروكيميائيًا استثنائيًا، حيث يتميز بسعة نوعية أولية عالية تبلغ 738 مللي أمبير/غرام، وقدرة فائقة على الشحن والتفريغ السريع، واستقرار ممتاز للدورات؛ والجدير بالذكر أنه يحتفظ بسعة قابلة للعكس تبلغ 150 مللي أمبير/غرام بعد 100 دورة عند كثافة تيار 40 مللي أمبير/غرام. من خلال التحليل الحركي الكمي، بالإضافة إلى خارج الموقع باستخدام تقنيات SEM وTEM وXRD، توضح هذه الدراسة التطور البنيوي لمادة القطب الكهربائي المرن أثناء دورات الشحن والتفريغ، وتكشف آلية تخزين المغنيسيوم الأساسية، والتي تعتمد على تفاعل تحويل ثنائي الطور قابل للانعكاس بين تكوين وتفكيك العناصر. علاوة على ذلك، تم تجميع خلية كاملة لإثبات إمكانات هذا القطب في التطبيقات العملية. يقدم هذا البحث رؤى جديدة لاستكشاف وتطوير مصاعد سبائك مرنة ذاتية الدعم عالية الأداء.
04 | تحليل مصور
أولاً: جزيئات نانوية من البزموت والقصدير مثبتة بشكل موحد داخل ألياف الكربون النانوية كقطب موجب مرن ذاتي الدعم لبطاريات أيونات المغنيسيوم
تم تصنيع غشاء مرن (CNF@Bi-Sn) محمل بجزيئات نانوية ثنائية المعدن من البزموت والقصدير باستخدام طريقة تجمع بين الغزل الكهربائي والاختزال الحراري الموضعي. يتميز هذا الغشاء بمرونة فائقة وقدرة على تحمل مختلف أنواع التشوه (الانحناء، والالتواء، والطي، إلخ). لم تُستخدم أي مواد موصلة أو مواد رابطة أو جامعات تيار خلال عملية تجميع البطارية. تُظهر تحليلات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) أن جزيئات البزموت والقصدير النانوية موزعة بانتظام في جميع أنحاء ألياف الكربون النانوية.
ثانيًا: يُظهر مركب CNF@Bi-Sn سعة عكسية عالية، وأداءً ممتازًا في معدل الشحن والتفريغ، واستقرارًا جيدًا في دورات الشحن والتفريغ.
يُظهر قطب CNF@Bi-Sn سعةً نوعيةً ابتدائيةً عاليةً تبلغ 738 مللي أمبير/غرام. وبعد دورات شحن وتفريغ بمعدلات مختلفة، تستعيد سعته النوعية عند التفريغ 214 مللي أمبير/غرام، مما يدل على الأداء الممتاز لهذا القطب. علاوةً على ذلك، حتى بعد 100 دورة عند كثافة تيار 40 مللي أمبير/غرام، يحافظ على سعة قابلة للعكس عالية تبلغ 150 مللي أمبير/غرام.
الجزء الثالث: التطور البنيوي وآليات تخزين المغنيسيوم التي تم الكشف عنها من خلال التوصيف خارج الموقع
تمت دراسة التطور المورفولوجي والبنيوي لمركب CNF@Bi-Sn خلال عملية إدخال/إخراج المغنيسيوم باستخدام تقنيات توصيف خارجية، بما في ذلك المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وحيود الأشعة السينية (XRD). أظهر تحليل TEM أنه بعد التفريغ الكامل (إدخال المغنيسيوم) والشحن (إخراج المغنيسيوم)، ظلت جسيمات Bi-Sn النانوية داخل قطب CNF@Bi-Sn مغلفة جيدًا وموزعة بانتظام في جميع أنحاء ألياف الكربون النانوية؛ مما قلل بشكل فعال من تغيرات الحجم أثناء عملية التخليط ومنع فقدان المادة الفعالة. أشارت نتائج EDS إلى أنه في حالة التفريغ، كانت عناصر Bi وSn وMg موزعة بانتظام داخل مصفوفة الكربون؛ علاوة على ذلك، أكد تحليل XRD الخارجي أن آلية تخزين المغنيسيوم في قطب CNF@Bi-Sn تعتمد على تفاعل تحويل عكسي ثنائي الطور للتخليط/إزالة التخليط.
5. المعدات المستخدمة في هذه الدراسة
تم توفير فرن الأنبوب المصغر المُساعد المستخدم في تجارب فريق بحث البروفيسور ليو بو من قِبل شركة كيمي إنسترومنتس. وقد تمّت الإشارة تحديدًا إلى شركة آنهوي كيمي إنسترومنتس المحدودة في هذه الورقة البحثية؛ ونودّ أن نغتنم هذه الفرصة لنعرب عن خالص امتناننا للبروفيسور ليو لاختياره ودعمه لشركة كيمي إنسترومنتس.
