تصميم بطارية قائم على الماء يهدف إلى السلامة وطول العمر
أفاد باحثون في الصين بكيمياء بطارية مائية يقولون إنها قد تطيل عمر تخزين الطاقة على نطاق الشبكة بشكل كبير، مع تجنب بعض مشكلات التخلص والسلامة المرتبطة بأنظمة أيونات الليثيوم التقليدية. وتركز الدراسة، التي نُشرت في 18 فبراير في Nature Communications، على فئة من البوليمرات العضوية التساهمية المُصنَّعة تُستخدم كأنود في بطارية تنقل أيونات المغنيسيوم والكالسيوم عبر إلكتروليت مائي متعادل.
الادعاء الأبرز لافت للنظر: يقول الفريق إن البطارية يمكن أن تدوم لنحو 120,000 دورة شحن، أي أكثر من 10 مرات عمر بطارية أيونات الليثيوم النموذجية المستخدمة في تخزين الشبكة. والأكثر أهمية أن الباحثين يجادلون بأن هذه الكيمياء تتجنب العناصر السامة ويمكن التخلص منها بأمان في البيئة، ما يجعلها مرشحًا نظيفًا بشكل غير معتاد لأنظمة التخزين الثابتة الكبيرة.
لماذا تهم البطاريات المائية
لطالما جذبت البطاريات المائية الانتباه لأن الإلكتروليتات القائمة على الماء غير قابلة للاشتعال ويمكن أن تكون أرخص من المواد المستخدمة في كثير من تصاميم البطاريات السائدة. وهذا يجعلها خيارًا جذابًا لتطبيقات مثل موازنة الطاقة المتجددة، حيث قد تكون مخاطر الحريق المنخفضة وطول عمر التشغيل مهمين بقدر كثافة الطاقة.
لكن لهذا الشكل نقطة ضعف عنيدة. فالـبوليمرات العضوية، التي قد تكون مفيدة في هذه البطاريات، غالبًا ما تتحلل بسرعة في الإلكتروليتات الحمضية أو القلوية المستخدمة عادة في الأنظمة المائية. وهذا التدهور يقوض الميزة نفسها التي تهم المرافق ومشغلي الشبكات أكثر من غيرها: الأداء الموثوق عبر سنوات طويلة من دورات الشحن والتفريغ.
تحاول الدراسة الجديدة حل هذه المشكلة عبر تغيير كل من الكيمياء البنائية للبطارية والبيئة التشغيلية داخل الخلية. فبدلًا من الاعتماد على إلكتروليتات قاسية، استخدم الباحثون إلكتروليتًا متعادلًا بدرجة حموضة 7.0. وقرنوا ذلك بمركب محدد وُصف باسم hexaketone-tetraaminodibenzo-p-dioxin، يجمع بين مناطق غنية بمجموعات الكربونيل تجذب الأيونات الموجبة وهيكل جزيئي صلب يساعد المادة على الاحتفاظ ببنية مسطحة تشبه قرص العسل.
هدف التصميم هو الاستقرار، لا مجرد الجِدة
عمليًا، يحاول الباحثون بناء بطارية لا تتفكك موادها الفعالة في الماء. ويُفترض أن يحافظ الهيكل البوليمري المحكم على الأنود مع السماح في الوقت نفسه لأيونات المغنيسيوم والكالسيوم بالحركة بكفاءة. ووفقًا لملخص الدراسة، يساعد الإلكتروليت المتعادل على توصيل هذه الأيونات من دون تآكل البوليمر.
هذه التركيبة مهمة لأن التخزين طويل الأمد غالبًا ما يحده ليس مقياس أداء مذهل واحد، بل التراكم البطيء للخسائر. فإذا تمدد القطب أو ذاب أو فقد انتظامه البنيوي بمرور الوقت، يصبح من الصعب تبرير البطارية للاستخدامات البنية التحتية. لذلك قد تكون الكيمياء التي تضحي ببعض البريق مقابل المتانة ذات قيمة، خصوصًا في المنشآت المتوقع تشغيلها يوميًا لعدة عقود.
وعمر الـ120,000 دورة الذي يدعيه الباحثون هو الإشارة الأهم هنا. فإذا ثبت هذا الرقم خارج ظروف الدراسة، فسيعني بطارية قادرة على استخدام متكرر يفوق بكثير كثيرًا من الأنظمة القائمة. وقد صاغت Live Science الاحتمال بشكل درامي، مشيرة إلى أن التصميم قد يستمر حتى القرن الرابع والعشرين في ظل افتراضات معينة. والنقطة الأعمق أبسط من ذلك: الفريق يعرض بنية بطارية مصممة لتحمل استثنائي.
أين يمكن أن يناسب ذلك في منظومة الطاقة
يبدو أن هذا العمل أكثر صلة بالتخزين الثابت منه بالإلكترونيات الاستهلاكية أو المركبات الكهربائية. والنص المصدر يقارن صراحة هذه الكيمياء ببطاريات أيونات الليثيوم المستخدمة في تخزين الشبكة، وهذا هو الإطار الصحيح. تحتاج الشبكات الكهربائية إلى تقنيات يمكنها امتصاص الطاقة عندما يكون إنتاج الرياح أو الشمس مرتفعًا وإطلاقها لاحقًا مع أقل قدر ممكن من مخاطر السلامة وتكاليف استبدال يمكن التحكم فيها.
وفي هذا السياق، فإن التشغيل غير القابل للاشتعال ميزة كبيرة. وكذلك استخدام عناصر وفيرة ولبنات بناء عضوية بدلًا من مواد أكثر خطورة. وقد يغيّرَت بطارية يمكن تدويرها لسنوات من دون تدهور ملحوظ اقتصاديات مشاريع التخزين عبر خفض الصيانة وتكرار الاستبدال.
لكن هذا لا يعني أن التكنولوجيا جاهزة لإزاحة أيونات الليثيوم على نطاق واسع. فالمادة المصدر لا تقدم جداول زمنية تجارية ولا تكاليف تصنيع ولا أرقامًا لكثافة الطاقة ولا تفاصيل عن التوسع الصناعي. وهذه الثغرات مهمة. فمشغلو الشبكات لا يشترون الكيمياء وحدها؛ بل يشترون أنظمة مجرّبة وسلاسل توريد وضمانات وبيانات أداء قابلة للتمويل.
ما الذي ينبغي مراقبته بعد ذلك
حتى الآن، من الأفضل فهم هذا على أنه نتيجة بحث واعدة وليس إطلاقًا وشيكًا لمنتج. وأقوى الادعاءات المدعومة هي أن البطارية مائية، وتستخدم إلكتروليتات متعادلة، وتتجنب العناصر السامة، وحققت أداءً عاليًا جدًا في عمر الدورات في الدراسة المعلنة.
والأسئلة التالية واضحة. هل يمكن تصنيع هذه الكيمياء على نطاق واسع؟ وهل ستبقى المواد مستقرة خارج المختبر؟ وكم من الطاقة تستطيع البطارية تخزينه نسبةً إلى حجمها وتكلفتها؟ وهل يمكن للتصميم أن يحافظ على مزاياه المزعومة في السلامة والمتانة في عمليات النشر الفعلية على الشبكة، لا في ظروف الاختبار المضبوطة فقط؟
حتى مع هذه التحفظات، تشير الدراسة إلى اتجاه مهم في أبحاث تخزين الطاقة. وغالبًا ما يُناقش تقدم البطاريات من حيث سرعة الشحن أو مدى القيادة، لكن بالنسبة إلى الشبكة قد تكون المتانة والسلامة هما الاختراقان الأكثر تأثيرًا. وإذا تمكن هذا التصميم المائي من الحفاظ على تلك الصفات خارج المختبر، فقد يصبح جزءًا من تحول أوسع نحو أنظمة تخزين مصممة لتدوم بقدر البنية التحتية المحيطة بها.
تعتمد هذه المقالة على تقرير من Live Science. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on livescience.com
