بطاريات مائية تغير معادلة التخزين وتنهي حوادث الاحتراق

تكساس (الولايات المتحدة)- وجد المهندسون الكيميائيون في جامعة “تكساس أي آند أم” اختلافا بنسبة ألف في المئة في سعة تخزين أقطاب البطارية الكهربائية الخالية من المعادن.

ونشرت الأستاذة في الهندسة الكيميائية الدكتورة جودي لوتكنهاوس والأستاذ المساعد للكيمياء الدكتور دانيال تابور النتائج التي توصل إليها الباحثون حول البطاريات الخالية من الليثيوم على مجلة نيتشر ماتيريالز.

وتختلف البطاريات المائية عن بطاريات الليثيوم أيون التي تشمل مكوناتها الكوبالت. وتهدف المجموعة الباحثة في سبل تطوير بطاريات خالية من المعادن إلى التحكم الأفضل في سلسلة التوريد المحلية لأن الكوبالت والليثيوم مُستوردان. وستمنع هذه المكونات الأكثر أمانا حرائق البطارية.

وقالت لوتكنهاوس “لن تكون هناك حرائق للبطاريات بعد اليوم لأنها تعتمد على الماء. في المستقبل، إذا بلغنا نقص الموارد، فإن سعر بطاريات الليثيوم أيون سيرتفع بشكل كبير. إذا كانت بحوزتنا هذه البطارية البديلة، فسيمكننا اللجوء إليها، حيث سيكون الحصول عليها أنسب لقدرتنا على تصنيعها هنا في الولايات المتحدة”.

تتكون البطاريات المائية من كاثود وإلكتروليت وأنود. وتعدّ الكاثودات والأنودات من البوليمرات التي يمكنها تخزين الطاقة، والإلكتروليت هو ماء ممزوج بالأملاح العضوية، ويعتبر مفتاحا للتوصيل الأيوني وتخزين الطاقة من خلال تفاعلاته مع الإلكترود.

وقالت “إذا انتفخ قطب كهربائي كثيرا أثناء العملية، فلن يتمكن من توصيل الإلكترونات جيدا، وستفقد كل الفعالية. أعتقد أن هناك فرقا بنسبة ألف في المئة في سعة تخزين الطاقة، اعتمادا على اختيار الإلكتروليت بسبب تأثيرات الانتفاخ”.

ويذكر مقال الخبيرين أن البوليمرات الجذرية غير المترافقة تعدّ مرشحة واعدة للبطاريات المائية الخالية من المعادن بسبب جهد التفريغ العالي للبوليمرات وحركية الأكسدة والاختزال السريعة. ويعدّ التفاعل معقدا ويصعب حله بسبب التحول المتزامن للإلكترونات والأيونات وجزيئات الماء.

وكتبا “أظهرنا طبيعة تفاعل الأكسدة والاختزال بفحص الإلكتروليت باستخدام التوازن الدقيق الكهروكيميائي مع مراقبة التطور حسب الزمن”.

واستكملت مجموعة الدكتور تابور البحثية الجهود التجريبية بالمحاكاة والتحليل الحسابيين. وأعطت عمليات المحاكاة نظرة ثاقبة للصورة الجزيئية المجهرية للهيكل والديناميكيات.

وقال تابور “تُعتمد النظريات والتجارب لفهم هذه المواد. ومن الأشياء الجديدة التي نحددها في هذه الورقة هو أننا نشحن القطب الكهربائي إلى حالات متعددة ونرى كيف تستجيب المساحات المحيطة لهذا الشحن”.

ويدرس الباحثون على مستوى مجهري ما إذا كان كاثود البطارية يعمل بشكل أفضل في وجود أنواع معينة من الأملاح من خلال قياس كمية الماء والملح التي تدخل البطارية بالضبط أثناء تشغيلها.

وكتب تابور “فعلنا ذلك لشرح ما لوحظ تجريبيا. نريد الآن توسيع عمليات المحاكاة لتشمل أنظمة المستقبل. احتجنا إلى تأكيد نظريتنا حول الطاقة التي تحرك هذه التفاعلات. وتعد هذه التكنولوجيا الجديدة لتخزين الطاقة دفعة إلى الأمام نحو بطاريات خالية من الليثيوم. لدينا اليوم صورة أفضل على المستوى الجزيئي لما يجعل بعض أقطاب البطارية تعمل بشكل أفضل من غيرها، وهذا يعطينا دليلا قويا على ما يجب أن نركز عليه في تصميم المواد”.

تموّل المشروع وزارة الطاقة الأميركية والمؤسسة الوطنية للعلوم من خلال جامعة “تكساس أي أند أم” للتجارب الهندسية.

تبددت بعض مخاوف اشتعال بطاريات ليثيوم أيون، لكنها لم تختف تماما. ولا تزال الحوادث مستمرة وبنتائج مأساوية في الكثير من الأحيان، وخاصة إذا اندلع الحريق داخل مبنى دون مراقبة. لكن يبدو أن الحوادث انخفضت، حتى مع ارتفاع عدد البطاريات المستخدمة. وربما أصبحت البطارية الفردية في جهاز صغير آمنة، لكن أنواعا أخرى من البطاريات أصبحت أكثر شيوعا الآن بسبب السيارات الكهربائية وغيرها من الآلات الكبيرة التي تتطلب طاقة عالية. لم أر بعد أي تقارير دراسة حول حرائق بطاريات أيون الليثيوم مقابل حرائق البطارية المفردة. ربما يرجع هذا إلى التقارير الإخبارية، حيث تحظى حرائق بطاريات أيون الليثيوم بالمزيد من الاهتمام لأنها أكبر ويصعب إخمادها.

لكن الحرائق تخضع للبحث، بينما تبقى الولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي والكثير من دول العالم الحر تحت رحمة الحكومات التي تتداخل مع الاقتصادات غير الحرة في تجارة الليثيوم والكوبالت. ويبدو من الغباء في الاتجاه الحالي، الذي يشهد تسليح أي شيء وإضفاء الطابع السياسي عليه، أن نعتمد على بعض السلع في التجارة التي يمكن بسهولة استخدامها كسلاح لتحقيق تأثير كبير.

تشير هذه الملاحظات إلى أن عمل باحثي جامعة “تكساس أي آند أم” يمكن أن يكون جهدا مهما لقطاع الاقتصاد الذي يعتمد الطاقة الكهربائية، أي الاقتصاد بأكمله.