طفرة جديدة عالمية وتطوير بطاريات الزنك أيون المائية القابلة لإعادة الشحن

طفرة جديدة عالمية وتطوير بطاريات الزنك أيون المائية القابلة لإعادة الشحن

كتبت: وفاء عبد السلام

حقّق فريق من الباحثين طفرة في تطوير نوع من بطاريات الزنك أيون المائية القابلة لإعادة الشحن، لتكون أكثر أمانًا وأرخص من البطاريات التقليدية، وفق تقرير اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة (ومقرها واشنطن).

وأظهر البحث، الذي نُشر في مجلة الجمعية الكيميائية الأميركية، طريقة لتحسين جهد بطاريات الزنك أيون المائية، وهي نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تحتوي على إلكتروليت مائي.

وبرزت بطاريات الزنك أيون المائية بوصفها أحد البدائل لتقنية بطاريات الليثيوم أيون، التي تهيمن الآن على سوق تخزين الطاقة المتجددة والثابتة، إلا إنها تواجه عدة تحديات تعرقل الطريق نحو انتشارها على نطاق تجاري واسع.

تحديات بطاريات الزنك أيون المائية
قاد فريق من الباحثين الدوليين بقيادة جامعة كوينزلاند للتقنية، البحث لتطوير بطاريات الزنك أيون المائية.

وقال البروفيسور زيكي صن -المشارك في إعداد البحث- إن البطاريات المائية استُعملت منذ أكثر من 100 عام، بصورة أساسية بوصفها بطاريات غير قابلة لإعادة الشحن.

وتابع: “يُعد تحسين الجهد المنخفض للبطاريات المائية القابلة لإعادة الشحن إحدى أكبر العقبات التي تواجه تنفيذها على نطاق واسع للعديد من الاستعمالات”.

وأوضح أنه “في البطاريات القابلة لإعادة الشحن الشائعة، تُستعمل الإلكتروليتات العضوية لملء الفراغ بين الأنود والكاثود، وهي باهظة الثمن، والأهم من ذلك أنها شديدة الاشتعال”.

وشدد على أن “استعمال الإلكتروليتات المائية يُمكن أن يعالج مشكلة سلامة بطاريات الليثيوم أيون، إذ إن الإلكتروليت المائي أرخص بكثير وأكثر أمانًا”، وفق ما اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة في منصة “تك إكسبلور” (Tech Xplore).

و”لكن استعمال الإلكتروليت المائي في البطاريات القابلة لإعادة الشحن يمثل تحديًا كبيرًا”، بحسب ما صرح به البروفيسور صن.

وأوضح أن هذا التحدي يتمثل في أن “البطاريات المائية عادةً ما تحتوي على نافذة ذات جهد منخفض، بسبب انخفاض جهد الماء (1.23 فولت)، وبالتالي كثافة طاقة منخفضة، ما يعني أداءً أقل للبطارية مقارنةً بالبطاريات العضوية العادية القابلة لإعادة الشحن”.

وقال المؤلف الأول لورقة البحث فان تشانغ، إن هناك تحديًا آخر يتمثل في زيادة نافذة الجهد 1.23 فولت باستعمال إلكتروليت مائي.

وتابع: “إذا كان الجهد المطبق أعلى من 1.23 فولت، فسيتولد الهيدروجين، ويؤدي إلى تورم البطارية واحتمال الانفجار”.

وقال البروفيسور صن: “وجد الباحثون طريقة لزيادة الجهد الكهربائي في بطاريات الزنك أيون المائية مع تجنب تراكم الهيدروجين الذي يحتمل أن يكون خطيرًا”.

قال البروفيسور زيكي صن، إن البحث كان بمثابة خطوة نحو زيادة استعمال بطاريات الزنك أيون المائية، التي ثبت أن لها العديد من المزايا الرئيسة.

ويحتوي الزنك أيون على ضعف شحنة الليثيوم أيون، ما يعني ضعف الطاقة، ويُمكن -أيضًا- أن تكون البطاريات أصغر حجمًا، ويُمكن شحنها بصورة أسرع، ولها عمر دورة إعادة شحن أكبر بعدة مرات.

وقال البروفيسور صن: “إن آلية نقل الإلكترون في المجال الخارجي تمهد لنا طريقة جديدة لتصميم الإلكتروليتات المائية ذات الجهد العالي”.

وأضاف أن “استعمال هذا النوع الجديد من الإلكتروليتات المائية يحسّن نافذة الجهد بمقدار ضعفين، ويعزز الأداء الإجمالي للبطارية بمقدار 1.5 مرة إلى 3 مرات أفضل من الإلكتروليتات المائية العادية”.

وشدد على أن هذا يمثل “قفزة كبيرة للبطاريات المائية القابلة لإعادة الشحن للإنتاج الصناعي”.

مشكلة التآكل في بطاريات الزنك
في سياق متصل، قال فريق من الباحثين من كلية الهندسة الكيميائية بجامعة نيو ساوث ويلز، إنهم طوّروا حلًا يعالج مشكلة التآكل في بطاريات الزنك أيون المائية، ما يحسّن عمر البطارية من 5 إلى 20 مرة، أي ما يعادل زيادة عمرها من بضعة أشهر إلى أكثر من 3 سنوات.

وتُعزى فوائد كيمياء بطاريات الزنك المائية إلى أنود معدن الزنك كثيف الطاقة وإلكتروليتات محلول الملح المائي، لكن عدم توافقها، الذي يؤدي إلى التآكل الكيميائي للأنود، يقلل بصفة فعّالة من عمر دورة خلية البطارية.

وقال الباحثون يوان شانغ، والدكتور بريانك كومار، والدكتور ديبان كوندو، إنهم أمضوا 3 سنوات في العمل على الحل، الذي يتضمن إضافة تركيزات صغيرة من المركبات العضوية إلى إلكتروليت البطارية.

وكشف الباحثون عن أن إضافة تركيز 1% من مركب البوتانيديول الكيميائي إلى الإلكتروليت يعالج مشكلة التآكل، ويقلل بصورة فاعلة من رواسب الزنك التي تؤدي إلى قصر دائرة خلية البطارية.

وكانت نتيجة عملهم تحسينًا بنسبة 5 إلى 20 مرة في عمر دورة البطارية في ظل ظروف مناسبة للتطوير خارج نطاق المختبر، وفق ما اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة، نقلًا عن مجلة “بي في ماغازين” (PV Magazine).

وقال فريق البحث، إن المحلول يحافظ على الطبيعة المائية للإلكتروليت، ويحافظ على فوائد التكلفة والسلامة لتقنية بطاريات الزنك أيون المائية، وتقترب النتائج من منافسة بطاريات الليثيوم أيون.

وقدّرت جامعة نيو ساوث ويلز أن التقنيات المطورة بالكامل ستكلف المستهلكين نحو ثلث إلى ربع سعر أنظمة الليثيوم أيون الحالية.