اخترع باحثون من جامعة تكساس إيه آند إم-A&M في الولايات المتحدة أقطابًا كهربائيةً جديدة للبطاريات خاليةً من المعادن، ويمكن استخدامها مستقبلًا لمجموعة من التطبيقات بدل بطارية أيون الليثيوم المستخدمة اليوم.
تُستخدم بطاريات أيون الليثيوم على نطاق واسع في الأجهزة وفي السيارات الكهربائية في جميع أنحاء العالم، لذلك تسعى الدول لتقليل انبعاثات الكربون الصادرة عن هذه البطارية، بينما تملك الولايات المتحدة خططًا للتحول إلى طريقة نقل أنظف على الرغم من إدراكها العوائق في هذا المجال.
تستورد الولايات المتحدة مكونات أساسية لبطارية أيون الليثيوم (مثل الليثيوم والكوبالت) بنسبة كبيرة، وستعاني عمليات الاستيراد من مخاطر في حال تصاعد التوترات الجيوسياسية.
تدعم وزارة الطاقة الأمريكية ومؤسسة العلوم الوطنية العديد من المجموعات البحثية من بينهم الباحثون في جامعة تكساس إيه آند إم للبحث عن بدائل لبطارية أيون الليثيوم.
بطارية خالية من المعادن وتعتمد على الماء
يبحث كل من جودي لوتكينهاوس ودانييل تابور وهما أستاذ وأستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية في الجامعة عن بطارية تعتمد على المياه منذ عدة سنوات، وبحسب الباحثين فإن البطارية ستتكون من كاثود (مهبط) وأنود (مصعد) وإلكتروليت (كهرل) مثل البطارية العادية.
تختلف بطارية الماء هذه عن غيرها من البطاريات بأن الأقطاب الكهربائية مصنوعة من البوليمرات بدلاً من المعادن، والإلكتروليت المستخدم هو ماء ممزوج بالأملاح العضوية، ما يعني عدم إمكانية اشتعال مكونات البطارية، ويصبح الإلكتروليت المائي هذا الأساس في توصيل الأيونات وتخزين الطاقة، ولدى تفاعل الإلكتروليت مع الأقطاب الكهربائية قد تتضخم الأقطاب ما يؤدي إلى ضعف الأداء.
وجد الباحثون أن البوليمرات غير الناقلة للجذور والنشطة في الأكسدة والاختزال مواد مثالية لصنع الأقطاب الكهربائية، لأنها تملك جهد تفريغ عالٍ وبحسب المادة المستخدمة قد ترتفع سعة تخزين الطاقة إلى 1000%.
كتب الباحثون في الورقة المنشورة في مجلة المواد الطبيعية: «أوضحنا طبيعة تفاعلات الأكسدة والاختزال بفحص الشوارد المائية التي يتنوع تأثيرها في البنية المائية (تشاوتروبيك مقابل كوزموتروبيك)، وذلك باستخدام توازن بلورة الكوارتز الكهروكيميائية مع مراقبة التبدُّد خلال فترات زمنية».
ولكن تصعب معالجة التفاعل بين البوليمرات والإلكتروليت نظرًا لوجود العديد من عمليات النقل المتزامنة للإلكترونات والأيونات وجزيئات الماء.
بحسب بيان صحفي فإن المجموعة البحثية اعتمدت على المحاكاة والتحليل الحسابي لنتائجها وحصلت على رؤى حول الهياكل والديناميكيات على نطاق جزيئي مجهري.
وبفضل بعض التجارب التي أجراها الباحثون والملاحظات على مقياس واقعي، تمكنوا من تحديد جودة عمل الكاثود في بطارية الماء مع بعض الأملاح في الإلكتروليت، وذلك بقياس تركيزات الملح والماء. ويخطط الباحثون لإجراء المزيد من عمليات المحاكاة في المستقبل لتكوين فهم أفضل لآلية عمل البطارية وتصميم المواد بما يتوافق مع ذلك.
اقرأ أيضًا:
تطوير بطاريات ليثيوم أيون جديدة يمكنها تحمل ظروف الحرارة والبرد القاسية
بطاريات ليثيوم جديدة تستطيع شحن سيارة كهربائية في دقائق وتدوم مدة 25 عامًا
ترجمة: عمرو أحمد حمدان
تدقيق: جعفر الجزيري
مراجعة: محمد حسان عجك
