ابتكار البطاريات.. إطالة عمر البطارية وسعتها.. تتحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة ثم تعود ذاتيا

أحد أعظم التحديات التي نواجهها في مكافحة تغير المناخ هو تخزين الطاقة، فالوقود الأحفوري يخزن نفسه في الأساس، حيث يتم حبس طاقته داخل روابطه الكيميائية الخاصة، ولكن كيف يمكننا تخزين أشكال أكثر استدامة من الطاقة، ولكنها قصيرة الأمد، مثل طاقة الرياح والشمس؟

بالنسبة لإريك ديتسي، الأستاذ المشارك في علوم وهندسة المواد، فإن الجواب هو البطاريات، مع التحذير من أن البطاريات القوية بما يكفي لتلبية متطلبات الطاقة في المستقبل – حيث تتوقع وكالة الطاقة الدولية أن سعة البطاريات في جميع أنحاء العالم سوف تحتاج إلى مضاعفة ستة أضعاف بحلول عام 2030 – غير موجودة بعد.

البطاريات المستخدمة تفقد سعتها تدريجيًا وتفشل في النهاية

في أغلب البطاريات المستخدمة اليوم، من البطاريات القلوية التي تستخدم لمرة واحدة في الأجهزة المنزلية مثل المنبهات إلى بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن في المركبات الهجينة والكهربائية، تكون الأقطاب الكهربائية التي تتدفق بينها الأيونات مصنوعة عادة من مواد صلبة مثل أكاسيد المعادن أو الجرافيت.

ولكن كما يشير ديتسي، فإن كل دورة من دورات شحن وتفريغ البطارية تتلف المادة، لأن الأقطاب الكهربائية تتمدد وتنكمش، وأحيانًا بنسبة تصل إلى 300%، وهو أحد الأسباب التي تجعل حتى البطاريات القابلة لإعادة الشحن تفقد سعتها تدريجيًا وتفشل في النهاية.

يقول ديتسي: “هناك حاجة إلى مواد يمكنها تخزين كميات كبيرة من الليثيوم والصوديوم والمغنيسيوم لاستخدامها في البطاريات عالية الأداء، تكمن المشكلة في أنه كلما زادت كمية الليثيوم أو الصوديوم أو المغنيسيوم التي يمكن لمادة البطارية تخزينها، كلما تمددت وانكمش حجمها أثناء الشحن والتفريغ، مما يؤدي إلى تغير هائل في الحجم”.

إنشاء مواد جديدة

بدأ بعض الباحثين، ومنهم الحائز على جائزة نوبل في أواخر عام 2019 جون جوديناف، أحد آباء بطاريات الليثيوم أيون، مؤخرًا في تطوير بطاريات ذات أقطاب كهربائية سائلة لا تنكسر عندما يتغير حجمها. لكن الأقطاب الكهربائية السائلة تفرض تحديات أخرى، وهي صعوبة تصنيع واستخدام بطاريات تتصرف مثل البالونات المائية بأمان.

بعبارة أخرى، لن ينجح بناء بطاريات أكبر أو سائلة فقط – لتصميم بطاريات المستقبل، سيحتاج الباحثون إلى إنشاء مواد جديدة تمامًا.

وعلاوة على ذلك، أصبحت العديد من العناصر المستخدمة عادة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن والتي يتم إنتاجها بكميات كبيرة ــ مثل الليثيوم والكوبالت ــ باهظة الثمن على نحو متزايد، ناهيك عن تورطها في انتهاكات حقوق الإنسان، مع تزايد الطلب على البطاريات.

(في العام الماضي، نشر سيدارث كارا، الأستاذ في جامعة نوتنجهام، كتابا بعنوان “الكوبالت الأحمر: كيف تمد دماء الكونغو حياتنا بالطاقة”، وهو تقرير كشف عن ممارسات العمل البائسة في جمهورية الكونغو الديمقراطية، التي تنتج ثلاثة أرباع الكوبالت في العالم).

بطاريات عالية الأداء لتخزين الطاقة الناشئة

يقول لإريك ديتسي “الحاجة إلى بطاريات عالية الأداء لتخزين الطاقة الناشئة مثل تخزين الطاقة على نطاق الشبكة والمركبات الكهربائية دفعتني إلى دراسة المواد اللازمة للبطاريات”.

ولتحقيق هذه الغاية، كانت مجموعته تدرس البطاريات المصنوعة في المقام الأول من الصوديوم والمغنيسيوم، وهي أرخص وأقل خطورة من الناحية الأخلاقية لأن الصوديوم والمغنيسيوم وفير في قشرة الأرض. والأهم من ذلك، أن موارد الصوديوم والمغنيسيوم وفيرة في الولايات المتحدة.

على سبيل المثال، وفقًا لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية (USGS)، فإن 68.8٪ من احتياطيات العالم من كربونات الصوديوم (رماد الصودا) و14.5٪ من كلوريد الصوديوم (الملح) في العالم، والتي هي ضرورية لصنع الصوديوم، موجودة في الولايات المتحدة.

وتستخدم مجموعة ديتسي هذه المعادن لتطوير أقطاب كهربائية تتحول بين الحالة السائلة والحالة الصلبة لتجنب التلف أثناء دورات الشحن مع الحفاظ على سهولة تصنيعها.

يقول ديتسي: “عندما تكون المادة في الحالة الصلبة، فإنها تبدأ في التحلل بسبب التغيرات الضخمة في الحجم التي تحدث أثناء تخزين الشحنة، ومع ذلك، عندما تتحول المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة، فإنها “تعالج” نفسها من خلال التعافي من التحلل الناجم عن تغير الحجم”.

 الأنودات ذاتية الشفاء تحمل أكثر من 1000 دورة شحن

في البداية، أثبت ديتسي جدوى هذا النهج باستخدام الأنود – القطب الذي يجمع الأيونات أثناء الشحن – المصنوع من ثنائي المغنيسيوم خماسي الجاليد (Mg 2 Ga 5))، وهو خليط من المغنيسيوم والغاليوم، والذي يتميز الأخير بنقطة انصهار منخفضة، مما يجعل من السهل على مثل هذه السبائك التحول من الحالة الصلبة إلى السائلة.

في عام 2019، أظهر مختبر ديتسي، إلى جانب مختبر فيفيك شينوي، أستاذ الرئيس المتميز في الهندسة الميكانيكية والميكانيكا التطبيقية (MEAM) والهندسة الحيوية (BE)، أن الأنودات ذاتية الشفاء المصنوعة من Mg 2 Ga 5 يمكن أن تتحمل أكثر من 1000 دورة شحن. .

يقول ديتسي: “قبل عملنا، كانت دورة حياة أنودات بطاريات أيون المغنيسيوم الحديثة 200 دورة فقط”. بعبارة أخرى، أدى

إضافة الأنود الذي يلتئم ذاتيًا إلى زيادة العمر الافتراضي الأولي لبطاريات أيون المغنيسيوم خمس مرات.

وفي وقت سابق من هذا العام، ذهب مختبر ديتسي إلى أبعد من ذلك، باستخدام أنود من الغاليوم والإنديوم يذوب في درجة حرارة الغرفة، مما قد يفتح الباب أمام التطبيقات التجارية، وقد نجا الأنود التجريبي من 2000 دورة شحن مع الاحتفاظ بسعة بطارية تبلغ 91%.

ويقول ديتسي: “هذا أمر غير مسبوق”، وللتوضيح، يمكن لهاتف iPhone 15 أن يتحمل 1000 دورة شحن مع الاحتفاظ بسعة بطارية تبلغ 80%.

تحول المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة

من أجل المضي قدمًا في المشروع، استخدم ديتسي وزملاؤه – لين وانج وألكسندر نج، خريجي الدكتوراه حديثًا، وروكسانا فاميلي، زميلة ما بعد الدكتوراه – مجموعة متنوعة من تقنيات التصوير المتقدمة لفهم تحول المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة بشكل أفضل، بما في ذلك حيود الأشعة السينية، وتشتت الأشعة السينية، والتحليل الطيفي بالأشعة السينية، والمجهر الإلكتروني الماسح بالتبريد العميق. تتضمن التقنية الأخيرة تجميد أنودات المعدن السائل في مراحل مختلفة، لدراسة عملية الشفاء الذاتي بشكل أفضل.

كما وصف ديتسي ومجموعته في ورقة بحثية نُشرت عام 2023 في ACS Energy Letters .

قبل ما يقرب من عقد من الزمان، عندما بدأ ديتسي ومجموعته في استكشاف مفهوم بطاريات الصوديوم والأيونات الماغنيسيوم القادرة على الشفاء الذاتي، لم يكن أحد تقريبا يأخذ أفكاره على محمل الجد.

يقول ديتسي: “أتذكر أن أحد المراجعين لأحد مقترحاتنا بشأن بطاريات أيون الصوديوم سأل لماذا لا يتم تسويق بطاريات أيون الصوديوم تجاريًا إذا كانت رائعة إلى هذا الحد، في ذلك الوقت، كانت هناك شركة ناشئة واحدة فقط تعمل على تطوير بطاريات أيون الصوديوم، والآن هناك العديد من الشركات في جميع أنحاء العالم”.