الشاشات يمكنها الآن الانحناء – لماذا لا البطاريات؟

كان أحد أكثر نقاط الجذب التي نوقشت في مؤتمر الجوال العالمي لهذا العام هو عرض مفهوم الهاتف القابل للانحناء من موتورولا. يمكن للهاتف أن يلتف حول معصم المستخدم.

على الرغم من أن شاشات الهواتف القابلة للانحناء بالكامل موجودة منذ فترة طويلة، إلا أن هاتف موتورولا المفهوم – القابل للانحناء – كان فئةً متميزة.

لم يكن مجرد هاتف ذكي مرن بحجم كامل مع كاميرا فحسب، بل كان يحتوي على ذكاء اصطناعي توليدي مدمج يمكنه إنشاء نظام ألوان يتطابق مع ملابس المستخدم خلال 10 ثوانٍ. 

بينما تتزايد الهواتف القابلة للانحناء، سنناقش اليوم السيناريو المتعلق بالبطاريات. السؤال هو، إذا كانت الشاشات يمكنها الآن الانحناء، لماذا لا يمكن للبطاريات ذلك؟

في تطور حديث، أبلغ الباحثون في مجلة ACS Energy Letters عن بطارية ليثيوم أيون ذات مكونات قابلة للتمدد بالكامل، بما في ذلك طبقة إلكتروليت يمكنها التوسع حتى 5000٪.

الالشيء الجيد في هذه البطارية هو أن خصائص القابلية للتمدد لا تؤثر سلبًا على أداء البطارية، حيث يمكنها الحفاظ على سعة تخزين الشحن بعد ما يقرب من 70 دورة شحن/تفريغ. 

في الأقسام أدناه، سنستعرض خصائص هذه البطارية بمزيد من التفصيل. 

بطاريات قابلة للانحناء والتمدد لتمكين الأجهزة الإلكترونية بنفس الخصائص

يُعد البحث الحالي إنجازًا في هذا المجال. ذلك لأن الجهود حتى الآن لبناء بطاريات قابلة للانحناء والتمدد حاولت استخدام أو الاستفادة من أقمشة موصلة منسوجة أو مكونات صلبة مطوية إلى أشكال قابلة للتوسيع كما يتم في فن طي الورق الياباني (الأوريغامي). 

ومع ذلك، تواجه هذه التقنية مشكلة حيث أن بطارية قابلة للتشكيل حقًا تحتاج إلى أن تكون مرنة في كل جزء منها، بما في ذلك الأقطاب التي تجمع الشحن ومكونات موازنة الشحن في طبقة الإلكتروليت الوسطى. 

لكن لا أحد من النماذج الأولية التي رأيناها حتى الآن يأتي بمرونة كاملة. بل لديها مرونة معتدلة وتتطلب عملية تجميع معقدة، وتُعاقَ بقدرة تخزين طاقة محدودة، خاصةً عند استخدامها لفترات طويلة مع شحن وتفريغ متكرر.

تنشأ مشكلة عدم كفاءة الشحن من الاتصال الضعيف بين طبقة الإلكتروليت والأقطاب. كما أن الإلكتروليت السائل قد يكون غير مستقر، مما يجعله يتحرك مع تغير شكل البطارية. 

بحث الفريق في هذه المشكلات ووجد حلولًا.

حلول مبتكرة لتحقيق مرونة كاملة

فكر الفريق في استخدام الإلكتروليت في طبقة بوليمر مُدمجة بين طبقتين من الأقطاب المرنة لإنشاء بطارية صلبة تمامًا وممتدة. 

بالنسبة للأقطاب، وضع الفريق استراتيجية لنشر طبقة رقيقة من معجون موصل يحتوي على أسلاك نانوية من الفضة، وكربون أسود، ومواد كاثود أو أنود قائمة على الليثيوم على صفيحة.

بعد ذلك، وضعوا طبقة من بولي(dimethylsiloxane)، مادة مرنة تُستخدم عادةً في العدسات اللاصقة، على أعلى المعجون.

أخيرًا، فوق كل شيء، طبق الباحثون ملح ليثيوم، سائل عالي التوصيل، ومكونات لصنع بوليمر قابل للتمدد.

عندما تم تنشيط جميع هذه الطبقات المتعددة بواسطة الضوء، تجمعت المكونات لتشكل طبقة صلبة مطاطية يمكنها التمدد حتى 5000٪ من طولها الأصلي دون أي مشكلة في نقل أيونات الليثيوم.

الجهاز بالكامل تم إغلاقه بطبقة واقية، وكانت المكدسة، كما ذكرنا سابقًا، تشمل طبقة إضافية من فيلم الأقطاب.

قارن الباحثون حلهم مع الحلول الموجودة في السوق التي تهدف إلى تحقيق نفس الغرض. كانت نتائج المقارنة كما يلي: 

المقارنة بين تصميم البطارية الصلبة والقابلة للتمدد الجديد والأجهزة التي تعمل بإلكتروليت سائل تقليدي

• الإصدار الجديد قدم سعة شحن متوسطة أعلى بست مرات مع معدل شحن سريع. 
• الحل الجديد يمكنه الحفاظ على استقرار متزايد أثناء التشغيل خلال 67 دورة شحن وتفريغ.
• الإلكتروليت البوليمري عمل بثبات على مدار 1000 دورة، مع انخفاض السعة بنسبة 1٪ في أول 30 دورة. في محلول إلكتروليت سائل، كان الانخفاض يصل إلى 16٪. 

يعتقد الباحثون أنه رغم أن هناك الكثير مما لا يزال بحاجة إلى تحقيقه، فإن البحث ونتائجه يمثل خطوة إيجابية ومبشرة للغاية نحو إنشاء أجهزة قابلة للارتداء أو الزرع تت flex وتتحرك مع الجسم.

بينما تعمل مؤسسات البحث دائمًا كعوامل رائدة لتطور أي صناعة مع مرور الوقت، لا جميع الابتكارات تثبت جدواها في التطبيقات الواقعية. تحتاج الابتكارات إلى عنصر قابلية التطبيق، كما أنها تحتاج إلى أن تكون ملائمة للتبني في نموذج تشغيلي موسع. 

في عام 2019، فريق آخر من الباحثين من مختبر الفيزياء التطبيقية بجامعة جونز هوبكنز طور بطارية ليثيوم أيون مرنة يمكنها العمل تحت ظروف قصوى مثل القطع، الغمر، وتأثيرات بالستية محاكاة. كما ضمنت الباحثون أن البطاريات غير قابلة للاشتعال. 

الإلكتروليتات “ماء-في-ملح” و “ماء-في-بيسالت” للبطاريات المرنة غير القابلة للاشتعال

قدم الباحثون رؤى جديدة من خلال اكتشاف فئة جديدة من الإلكتروليتات “ماء-في-ملح” و “ماء-في-بيسالت\” إلكتروليتات — المشار إليها بـ WiS و WiBS — التي، عند دمجها في مصفوفة بوليمرية، يمكنها تقليل نشاط الماء وتعزيز قدرات الطاقة وعمر البطارية.

في الوقت نفسه، حرر الآلية إعداد البطارية من القابلية للاشتعال، السمية، والمذيبات ذات التفاعل العالي الموجودة فيها. النتيجة كانت على شكل بطارية مرنة آمنة وقوية. 

وفقًا لكوستانتينوس جيراسوبولوس من قسم البحث والتطوير الاستكشافي في APL، الذي قاد أيضًا البحث:

“بطاريات الليثيوم أيون موجودة بالفعل بشكل مستمر في حياتنا اليومية، من هواتفنا إلى سياراتنا، وتحسين سلامتها باستمرار أمر أساسي لتقدم تكنولوجيا تخزين الطاقة.”

مشرحًا أهمية البحث، قال:

“تظهر ورقتنا الأخيرة تحسينًا في قابلية الاستخدام وأداء بطاريات الليثيوم أيون البوليمرية المرنة القائمة على الماء التي يمكن بناؤها وتشغيلها في الهواء الطلق.”

بينما قدم البحث الجاري العديد من الاختراقات، بعض الشركات أيضًا كانت ثابتة في تصنيع بطاريات مرنة للأجهزة الإلكترونية. 

#1. Samsung

منذ أكثر من أربع سنوات، أظهر براءة اختراع أضيفت إلى قاعدة بيانات مكتب البراءات العالمي (WIPO) أن سامسونج طورت بطارية قابلة للطي لتشغيل هواتف من نفس الطبيعة. البطارية المبراءة تم تصميمها بطبقات تسمح لأحد خلاياها بالاتصال بخلية أخرى عبر وصلة مرنة. عبّرت هذه الوصلة المرنة جزء المفصل من الجهاز، مما ألغى الحاجة إلى بطاريتين صلبتين منفصلتين. 

تشير التقارير إلى أن البراءة تتعلق بصنع بطاريات يمكن أن تتناسب مع سلسلة Galaxy Fold-series. نجاح حل البطارية يعني أن الشركة لم تعد بحاجة للقلق بشأن تصنيع مكوّنين تقليديين منفصلين. بدلاً من ذلك، يمكن لخلية واحدة الانتقال إلى التالية عبر مفصل الجهاز بفضل الشريط المركزي المتصل.

ادعت البراءة أن المفصل يتكون من “المادة الأساسية”، “طبقات الخليط”، و”فواصل عازلة”. وفقًا للخبراء، سمح الآلية للطبقات الحاملة للشحنة النشطة في الخلايا بالتفاعل بينما يمكنها تشغيل الهاتف عبر وحدة دائرة حماية موحدة (PCM) والاتصال باللوحة الرئيسية.

هاتف Samsung Galaxy Z Fold 6 موجود بالفعل في السوق، مما يدل على نجاح تقنية البطارية القابلة للطي من سامسونج. يأتي الهاتف بشاشة OLED ضخمة بحجم 7.6 بوصة ويمكنه دعم تصفح الويب المستمر عبر 5G (في هذه الحالة, T-Mobile), مع ضبط سطوع الشاشة على 150 نت. 

وفقًا لمراجعة للجهاز، حقق متوسط تشغيل قدره 10 ساعات و35 دقيقة عبر أربع اختبارات، متفوقًا على زمن تشغيل Google Pixel Fold (10:21) لكنه أقل من OnePlus Open (11:31). 

أثناء إبدائه رأيه حول قدرة بطارية سلسلة Fold، قال المراجع باختصار ما يلي:

“في الاستخدام اليومي، وجدت أن Z Fold 6 يقدم عمر بطارية قوي إلى حد ما. مع الاستخدام المختلط، عادةً ما ينخفض مؤشر البطارية إلى نطاق 20% إلى 25% بحلول الساعة 8 مساءً، وهو الوقت الذي أبحث فيه عن شاحن على أي حال. لكنني أتمنى بالتأكيد مزيدًا من القدرة على البقاء في الأيام التي أسافر فيها أو أستخدم Slack باستمرار.”

بشكل عام، يمكن اعتبار مسعى سامسونج إلى بطاريات الهواتف القابلة للطي أو المرنة أو القابلة للانحناء نجاحًا، مع فرص تحسين دائمًا.

من الناحية المالية، أعلنت سامسونج إلكترونيكس مؤخرًا عن نتائجها المالية للربع الأول من عام 2024، مظهرة نموًا كبيرًا عبر مختلف القطاعات. حققت الشركة إيرادات موحدة قدرها KRW 71.92 trillion ($52.08 billion)، مسجلة زيادة بنسبة 13% مقارنةً بنفس الفترة من العام السابق. ارتفع الربح التشغيلي بنسبة 933% إلى KRW 6.61 trillion ($4.78 billion)، مدفوعًا أساسًا بمبيعات قوية في أقسام شرائح الذاكرة والهواتف الذكية. سجل قسم الهواتف الذكية نتائج مبهرة، حيث ساهمت سلسلة Galaxy S24 بشكل كبير في الإيرادات والربح التشغيلي.

#2. Jenax

شركة أخرى تقوم بعمل رائد في مجال قابلية انحناء أو تمدد البطاريات هي Jenax. أحد منتجاتها الرائدة الأكثر ابتكارًا هو J.Flex، بطارية ليثيوم أيون مبتكرة، مرنة، صلبة الحالة، سريعة الشحن، وقابلة لإعادة الشحن.

تدعي الشركة أن منتجها يمكنه الانحناء الكامل والتحرك مع الجهاز دون التضحية بالقوة. من حيث التطبيق، تخدم البطارية مجالًا واسعًا، بما في ذلك الأجهزة القابلة للارتداء في تقنية المعلومات، الأجهزة القابلة للارتداء في الصحة واللياقة، الموضة، والعسكرية. 

يمكن ثني أو لف بطاريات J.Flex لتعزيز مرونة الأجهزة من الجيل التالي. حتى مع الانحناء الديناميكي المستمر، يمكنها الأداء بنفس الكفاءة والسعة كما في المستوى الأساسي غير المنحني. 

تدعم J.Flex التخصيص حيث يمكن للمصمم الآن التفكير بلا تردد في إنشاء أشكال وأحجام جديدة – غير متوفرة سابقًا – دون التضحية بالأداء.  البطارية متوافقة أيضًا مع المعايير الدولية لضمان السلامة في جميع التطبيقات.

انقر هنا للحصول على قائمة بأهم أسهم البطاريات للاستثمار فيها.

انحنِها مثل البطارية: اتجاهات مستقبلية في قابلية انحناء البطاريات. 

إن حجم الأبحاث الجارية في هذا المجال يجعل الفضاء واعدًا للنمو. تتزايد ابتكارات الشركات في تصاميم أجهزتها الإلكترونية. يتخيلون جمالية جديدة، مما يخلق طلبًا على خصائص الانحناء والتمدد والمرونة في البطاريات التي ستشغل أجهزتهم في النهاية. 

بينما لقد نظرنا إلى دراستين من هذا النوع التي تحمل المشعل إلى الأمام، سنختتم مناقشة اليوم بـ النظر إلى أخرى قد تكون مليئة بـ التطبيقات في الأيام القادمة. فريق من جامعة هيوستن من الباحثين صمم وطوّر نموذجًا أوليًا لبطارية ليثيوم أيون قائمة على القماش القابل للتمدد بالكامل.

استخدم الباحثون قماشًا فضيًا موصلًا كمنصة وجامع للتيار، وهو ما ثبت أنه اختراق. أثناء شرح ما حققته الأبحاث وما أهميتها، قالت هاله أردبيلي، أستاذة بيل دي كوك في الهندسة الميكانيكية بجامعة هيوستن، المسؤولة عن قيادة البحث:

“بدت خطوة طبيعية لإنشاء ودمج بطاريات قابلة للتمدد مع أجهزة وملابس قابلة للتمدد. تخيل طي، انحناء، أو تمدد حاسوبك المحمول أو هاتفك في جيبك أو استخدام حساسات تفاعلية مدمجة في ملابسنا تراقب صحتنا.”

ليس فقط أن البحث يحمل إمكانية فتح آفاق جديدة في استخدام البطاريات في حياتنا اليومية، بل صحح أيضًا عيبًا أساسيًا كان موجودًا حتى ذلك الحين: مشكلة الصلابة. تمامًا كما في بحث جونز هوبكنز 2019، حول باحثو جامعة هيوستن أقطاب بطاريات ليثيوم أيون الصلبة إلى أقطاب قابلة للارتداء، قائمة على القماش، مرنة، وقابلة للتمدد، باستخدام إلكتروليت بوليمري صلب.
وفقًا لأردبيلي:

“يجب أن تسمح قطب البطارية بحركة كل من الإلكترونات والأيونات.”

يمكن تلبية هذا الطلب بكفاءة باستخدام قماش فضي منسوج، حيث يمكنه التشوه ميكانيكيًا أو التمدد ولا يزال يوفر “مسارات توصيل كهربائية ضرورية لعمل قطب البطارية بشكل جيد”.

بينما كانت تقنية البطارية لا تزال في مرحلة الاختبار الأولية، كان بإمكان الباحثين تخيل تطبيقها في بدلات الفضاء الذكية، والإلكترونيات الاستهلاكية المدمجة في الملابس التي تراقب صحة الأشخاص، والأجهزة التي تتفاعل مع البشر على مستويات مختلفة. مع ذلك، مثل جميع الاختراعات، تعتمد جدوى هذه التقنية أيضًا على توسيع القدرة التصنيعية، وإدارة هيكل التكلفة، وعوامل مشابهة.

في الأيام القادمة، سنشهد المزيد من الابتكارات في هواتفنا الذكية. مساحة أخرى متنامية هي التقنية القابلة للارتداء المستهدفة للصحة واللياقة. ستدمج الموضة والإكسسوارات أيضًا عناصر إلكترونية.

كل هذا سيؤدي إلى زيادة الطلب على البطاريات القابلة للتمدد. سيشهد الباحثون تبنيًا متزايدًا لتقنيتهم عبر الصناعات. ومع ذلك، لا يجب نسيان جوانب السلامة وطول العمر والأداء عند تصنيعها. 

انقر هنا لتعرف كيف سيساعدنا النانوفوتونيات المتقدمة في بناء هواتف ذكية أفضل.