اختراق غير متوقع في كيمياء البطاريات
لسنوات عديدة، عامل صانعو البطاريات الماء كعدو. تتضمن عمليات تصنيع البطاريات القابلة للشحن عادةً تجفيف مواد الأقطاب الكهربائية بعناية في درجات حرارة عالية لإزالة أي أثر من الرطوبة. الآن، قلب باحثون في جامعة سري هذا الافتراض برأسه باكتشاف قد يعيد تشكيل اقتصاديات تخزين الطاقة على نطاق الشبكة الكهربائية.
وجد الفريق أن الاحتفاظ بجزيئات الماء داخل مادة القطب الموجب لبطاريات أيون الصوديوم يضاعف تقريباً سعة التخزين الكهربائي مقارنة بالإصدارات المجففة من نفس المادة. تشير النتائج، المنشورة في مجلة Journal of Materials Chemistry A، إلى أن النهج القياسي للصناعة في تصنيع البطاريات ربما كان يترك مكاسب الأداء الكبيرة على الطاولة.
قال الباحث الرئيسي Daniel Commandeur من جامعة سري: "أظهرت المادة أداءً واستقراراً أقوى بكثير من المتوقع." يفتح الاكتشاف مساراً واعداً لبطاريات أيون الصوديوم، التي طالما كافحت لمضاهاة كثافة الطاقة لنظيراتها بأيون الليثيوم على الرغم من تقديمها مزايا مقنعة من حيث التكلفة والاستدامة.
كيف يعزز الماء أداء أيون الصوديوم
الآلية الكامنة وراء التحسن بسيطة وأنيقة. كانت الأقطاب الموجبة في الدراسة مصنوعة من فاناديت الهيدرات المركب النانوي، أو NVOH. عندما تبقى جزيئات الماء مدمجة في البنية البلورية للمادة، تسبب توسع الطبقات داخل القطب الموجب بشكل طفيف. يخلق هذا التباعد الموسع مساحة إضافية لأيونات الصوديوم للتحرك للداخل والخارج أثناء دورات الشحن والتفريغ.
فكر به مثل توسيع ممرات المستودع. بمساحة أكبر للحركة، يمكن لأيونات الصوديوم أن تتدفق بحرية أكبر وبأعداد أكبر، مما يسمح للقطب الموجب بقبول وإطلاق شحنة أكثر لكل دورة. جزيئات الماء تعمل أساساً كدعامات هيكلية، تدعم البنية متعددة الطبقات للقطب الموجب وتمنع انهيارها أثناء الدورات المتكررة.
حافظت البطاريات الاختبارية المصنوعة بمادة القطب الموجب المحتوية على الماء على الاستقرار لأكثر من 400 دورة شحن، مما يوضح أن الماء لا يتدهور ولا يزعزع استقرار القطب الكهربائي بمرور الوقت. يعتبر مادة NVOH الآن من بين أفضل المواد الأداء للقطب الموجب لبطاريات أيون الصوديوم، وهي فئة من التكنولوجيا التي بدأ الباحثون والصناعة ينظرون إليها بشكل متزايد كمكمل لأيون الليثيوم لتطبيقات التخزين الثابت.
لماذا بطاريات أيون الصوديوم مهمة
تهيمن بطاريات أيون الليثيوم على سوق البطاريات القابلة للشحن لسبب وجيه. فهي تحزم طاقة هائلة في عبوة صغيرة وخفيفة، مما يجعلها مثالية للهواتف الذكية والحواسيب المحمولة والمركبات الكهربائية. لكن الليثيوم له مشاكل. العنصر مركز في عدد قليل من الدول، ويتطلب التعدين كميات ضخمة من الماء، والمضاعفات الجيوسياسية لسلاسل إمداد الليثيوم أصبحت مصدر قلق متزايد للحكومات والمصنعين على حد سواء.
الصوديوم، على النقيض من ذلك، هو أحد أكثر العناصر وفرة على الأرض. يمكن استخراجه من ماء البحر بجزء بسيط من تكلفة تعدين الليثيوم، وبطاريات أيون الصوديوم آمنة بشكل عام للتشغيل، مع خطر أقل من الانفلات الحراري والحريق. تجعل هذه المزايا تكنولوجيا أيون الصوديوم جذابة بشكل خاص لتخزين الطاقة على نطاق واسع على الشبكة، حيث تكون التكلفة والسلامة وقدرة التحمل في سلسلة الإمداد أقل أهمية من الوزن والحجم.
كانت المشكلة الدائمة هي كثافة الطاقة. تخزن بطاريات أيون الصوديوم طاقة أقل بكثير لكل وحدة وزن أو حجم من خلايا أيون الليثيوم، مما يحد من تطبيقاتها العملية. يوضح اكتشاف فريق سري، بمضاعفة سعة القطب الموجب تقريباً، خطوة ذات معنى نحو سد تلك الفجوة.
اكتشاف إضافي: إمكانية تحلية المياه
في منعطف غير متوقع، اكتشف الباحثون أيضاً أن مادة القطب الموجب المحتوية على الماء تعمل بفعالية كقطب كهربائي لتحلية المياه. عند استخدامه في إعداد تحلية كهروكيميائية، يمكن لمادة NVOH إزالة الملح من الماء مع تخزين الطاقة في نفس الوقت. تثير هذه القدرة ذات الغرض المزدوج احتمالاً مغرياً بأن أنظمة البطارية يمكن دمجها مع محطات تحلية المياه في المجتمعات الساحلية، مما ينتج عنه تخزين الطاقة والماء العذب من ماء البحر.
بينما تبقى هذه التطبيقات تخمينية، يلمح الاكتشاف إلى إمكانية أوسع للمادة خارف الاستخدام التقليدي للبطاريات. في المناطق التي يكون فيها الماء النظيف وتخزين الطاقة الموثوق به احتياجات ملحة، قد تثبت التكنولوجيا التي تعالج كلا التحديين في نفس الوقت أنها تحويلية.
الطريق نحو التجارية
التأثيرات الفورية للاكتشاف الأكثر أهمية بالنسبة لصناعة بطاريات أيون الصوديوم المتنامية. بدأت الشركات في الصين، بما فيها CATL و HiNa Battery، بالفعل الإنتاج التجاري لخلايا أيون الصوديوم للمركبات الكهربائية وتخزين الشبكة. إذا كان يمكن توسيع نطاق نهج القطب الموجب المحتوي على الماء ودمجه في عمليات التصنيع الموجودة، فقد يحسن بشكل كبير قدرة المنافسة لتكنولوجيا أيون الصوديوم مقابل بدائل أيون الليثيوم.
البساطة النسبية للنهج مشجعة بشكل خاص. بدلاً من الحاجة إلى مواد جديدة غريبة أو تقنيات تصنيع معقدة، يأتي التحسن من فعل أقل، وتحديداً من تخطي خطوة التجفيف التي تستهلك الكثير من الطاقة والتي تعتبر ممارسة قياسية في إنتاج القطب الموجب. قد يترجم هذا إلى أداء أفضل وتكاليف تصنيع أقل، وهو مزيج نادر في أبحاث البطاريات.
مع سباق العالم لبناء البنية التحتية لتخزين الطاقة اللازمة لدعم شبكات الطاقة المتجددة، ستكون تكنولوجيات البطاريات بأسعار معقولة وقابلة للتطوير حاسمة. يشير عمل فريق سري إلى أن الإجابة على بطاريات أفضل ربما كانت مختبئة أمام أعيننا طوال الوقت، في الماء الذي كان المصنعون يزيلونه بعناية.
هذا المقال مبني على تقارير من New Atlas. اقرأ المقال الأصلي.
