اليوم، عندما أصبحت أبعاد الأجهزة أصغر، تتزايد الحاجة إلى بطاريات صغيرة وفعالة. يقوم البروفيسور إيمانويل بيليد والبروفيسور ديانا جولودنيتسكي من كلية الكيمياء بتطوير بطاريات يمكن تركيبها، من بين أشياء أخرى، داخل الكبسولات للبلع - للأغراض الطبية، أو في أجهزة استشعار صغيرة - للاستخدامات الأمنية.
اليوم، عندما أصبحت أبعاد الأجهزة أصغر، تتزايد الحاجة إلى بطاريات صغيرة وفعالة. يقوم البروفيسور إيمانويل بيليد والبروفيسور ديانا جولودنيتسكي من كلية الكيمياء بتطوير بطاريات يمكن تركيبها، من بين أشياء أخرى، داخل الكبسولات للبلع - للأغراض الطبية، أو في أجهزة استشعار صغيرة - للاستخدامات الأمنية.
يحاول الباحثون في جميع أنحاء العالم اليوم تطوير إجابة شاملة للحاجة إلى البطاريات الصغيرة: البطاريات الصغيرة التي تنتج تيارًا عاليًا وتعمل أيضًا لفترة طويلة. يوضح البروفيسور جولودنيتسكي: "يتم تصنيع البطاريات التقليدية من عدة طبقات - الكاثود، والأنود، والإلكتروليت، ومجمع التيار، مما يخلق تفاعلًا كهروكيميائيًا بينها ينتج الكهرباء". "عندما تقوم بتقليل كمية المواد اللازمة لبناء بطارية صغيرة، فإن كمية الطاقة تنخفض أيضًا، وتصبح البطارية غير فعالة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الإلكتروليت هو سائل سام قد يتسرب، لذا فإن البطاريات من هذا النوع غير مناسبة للاستخدامات الطبية، داخل جسم الإنسان. كما أن البطاريات الصغيرة التي تحتوي على طبقات رقيقة من الإلكتروليت الصلب، والتي تم تطويرها منذ حوالي 15 عامًا، تحتاج إلى شحن متكرر للغاية. اقترح البروفيسور مناحيم ناتان من كلية الهندسة حلاً رائعًا: شريحة سيليكون مثقبة تحتوي على عدد كبير من البطاريات بأبعاد نانوية. وتقوم مجموعتنا البحثية بتطوير بطاريات صغيرة بناءً على فكرة البروفيسور ناتان."
ويتم بناء البطاريات الصغيرة في شريحة سيليكون ثلاثية الأبعاد، تبلغ مساحتها 1 سم500 وسمكها 20,000 ميكرون، وتحتوي على 30,000 إلى 50 فتحة رفيعة، يبلغ قطرها 30-10 ميكرون، وعلى مسافة 10 ميكرون. 40 ميكرون عن بعضها البعض. وبمساعدة الأساليب الذكية لـ "الكيمياء الرطبة" - عمليات الطلاء المختلفة في المحاليل - تمكن الباحثون من وضع طبقات رقيقة في كل من الثقوب التي تشكل بطارية نانوية مستقلة. في المجمل، توفر الشريحة مادة أكثر نشاطًا لتوليد الكهرباء بـ 10 إلى XNUMX مرة، وطاقة أعلى بـ XNUMX مرات لكل وحدة مساحة، مقارنة بالبطاريات الصغيرة الأخرى.
يقول البروفيسور جولودنيتسكي: "نحن نعمل على تطوير مجموعة متنوعة من البطاريات المصنوعة من مواد نانوية مختلفة، لتوفير الجهد المناسب للاحتياجات والاستخدامات المختلفة". "على سبيل المثال، تحتاج الخلايا الشمسية إلى جهد منخفض 2-1.5 فولت، والبطاريات المستخدمة للأغراض الطبية عادة تعمل على جهد 3 فولت أو أكثر". التطبيقات المحتملة للبطاريات الصغيرة كثيرة: زرعات تطلق الأدوية في الجسم بطريقة خاضعة للرقابة؛ كبسولات للبلع تحمل كاميرات دقيقة للتصوير الداخلي للجهاز الهضمي (التنظير)؛ زراعة الأذن التي تساعد على السمع؛ أجهزة تنظيم ضربات القلب. أجهزة استشعار لقياس ضغط الدم أو مستوى الأنسولين في الدم؛ تخزين الطاقة المنتجة من الشمس بواسطة الخلايا الشمسية الصغيرة؛ أجهزة استشعار للرصد البيئي وقياس الضغط الجوي؛ وأجهزة استشعار منتشرة في الميدان لأغراض أمنية؛ و اكثر.
خلايا الوقود الخضراء
وفي دراسات أخرى، استخدم الباحثون أساليب تكنولوجيا النانو لتعزيز التطبيقات في مجال الطاقة، وخاصة خلايا الوقود "الخضراء" والنظيفة. "خلية الوقود هي جهاز كهروكيميائي يحول بشكل مستمر الطاقة الكيميائية للوقود (مثل الهيدروجين) وعامل مؤكسد (مثل الأكسجين أو الهواء) - إلى طاقة كهربائية"، يوضح البروفيسور بيليد. "إن خلايا الوقود الخضراء صديقة للبيئة، لأنها تنبعث منها الماء والحرارة فقط في الغلاف الجوي، وقد أثارت في العقد الماضي اهتماما كبيرا في جميع أنحاء العالم - كوسيلة لإنتاج وتخزين الطاقة بشكل عام والطاقة النظيفة بشكل خاص. يمكن استخدامها لتخزين الكهرباء المنتجة من طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية، ولتزويد الشبكة أو المنازل الفردية بالكهرباء (بالاشتراك مع تكييف الهواء)، وبالطبع أيضًا للأجهزة المحمولة؛ ومع ذلك، فإن التطبيق الواعد اليوم هو قيادة السيارات الكهربائية."
أحد العناصر المهمة في خلايا الوقود هي المحفزات - جزيئات النانومتر التي تمكن عمليات الأكسدة والاختزال التي تحدث في خلية الوقود. عادة ما تكون المحفزات الموجودة اليوم مصنوعة من جسيمات البلاتين النانوية - وهو معدن باهظ الثمن للغاية، وتحد تكلفته بشكل كبير من استخدام خلايا الوقود. في الواقع، يبلغ سعر المواد الحفازة اليوم حوالي نصف سعر خلية الوقود بأكملها. لتحسين التطبيقات وتخفيض تكلفتها، قام فريق البروفيسور بيليد بتطوير نوع جديد من المحفزات: قلب نانومتري مصنوع من معدن آخر أقل تكلفة، ملفوف في غلاف رقيق أو غلاف فرعي من البلاتين أو سبيكة البلاتين. يتم إنتاج هذه المحفزات بواسطة تقنية ترسيب غير كهربائي ملائمة، في درجة حرارة الغرفة. إنها تقلل بشكل كبير من تكلفة خلية الوقود، وفي الوقت نفسه لا تضر بأدائها، بل وتحسنها في بعض الأحيان.
البروفيسور إيمانويل بيليد من كلية الكيمياء بجامعة تل أبيب هو عالم مشهور عالميًا في مجال خلايا الوقود والبطاريات. وكان من بين مؤسسي شركتين ناشئتين مبتكرتين، Chemtronics وEnStorage، استنادًا إلى التقنيات التي تم تطويرها في مختبره. كما قامت مجموعته أيضًا بتطوير خلايا وقود فريدة من نوعها، والتي سجلت أرقامًا قياسية عالمية في إنتاج الكهرباء. شغل البروفيسور بيليد منصب رئيس مركز وولفسون للأبحاث التطبيقية في المواد ومركز غوردون لدراسات الطاقة في جامعة تل أبيب ومدير مركز المعرفة لخلايا الوقود والبطاريات التابع لوزارة العلوم والتكنولوجيا. نشر أكثر من 150 مقالاً، وسجل أكثر من 40 براءة اختراع، وحصل على جوائز مرموقة في إسرائيل وفي جميع أنحاء العالم.
البروفيسور دينا جولودنيتسكي من كلية الكيمياء بجامعة تل أبيب متخصصة في مجال الكيمياء الكهربائية، مع التركيز على بطاريات الليثيوم وتخزين الطاقة بالوسائل الكهروكيميائية.
نشرت أكثر من 80 مقالًا علميًا وثلاثة فصول في كتب علمية، وحصلت على 12 براءة اختراع وكانت أحد مؤسسي الشركة الناشئة DEVIS Electroscopy. يحافظ البروفيسور جولودنيتسكي على علاقات تعاون دولية مع كبار العلماء في الولايات المتحدة ومختلف أنحاء أوروبا، وهو عضو في المجلة العلمية The Open Electrochemistry Journal.
