اكتشاف سعة تخزين تصل 1000% في البطاريات القائمة على الماء وخالية من المعادن

اكتشف باحثون اختلافًا بنسبة 1000ٌ% في سعة تخزين أقطاب البطارية الكهربائية الخالية من المعادن، تختلف هذه البطاريات عن بطاريات الليثيوم أيون التي تحتوي على الكوبالت.

ينبع هدف المجموعة المتمثل في البحث عن بطاريات خالية من المعادن من التحكم بشكل أفضل في سلسلة التوريد المحلية، حيث يتم الاستعانة بمصادر خارجية للكوبالت والليثيوم، هذه الكيمياء الأكثر أمانًا ستمنع أيضًا حرائق البطارية.

نشرت الأستاذة في الهندسة الكيميائية الدكتورة جودي لوتكنهاوس، والأستاذ المساعد للكيمياء الدكتور دانيال تابور، في جامعة تكساس إيه آند إم، النتائج التي توصلوا إليها حول البطاريات الخالية من الليثيوم في Nature Materials .

لا حرائق للبطاريات بعد الآن

قالت لوتكينهاوس: “لن يكون هناك حرائق للبطاريات بعد الآن لأنها تعتمد على الماء”، “في المستقبل، إذا تم توقع نقص في المواد، فإن سعر بطاريات الليثيوم أيون سيرتفع كثيرًا، إذا كان لدينا هذه البطارية البديلة، فيمكننا اللجوء إلى هذه الكيمياء، حيث يكون الإمداد أكثر استقرارًا لأنه يمكننا تصنيعها هنا في الولايات المتحدة والمواد اللازمة لصنعها موجودة هنا”.

وأضافت، أن البطاريات المائية تتكون من كاثود وإلكتروليت وأنود، الكاثودات والأنودات عبارة عن بوليمرات يمكنها تخزين الطاقة ، والإلكتروليت عبارة عن ماء ممزوج بالأملاح العضوية. يعتبر المنحل بالكهرباء مفتاحًا للتوصيل الأيوني وتخزين الطاقة من خلال تفاعلاته مع القطب.

وأوضحت: “إذا انتفخ قطب كهربائي كثيرًا أثناء ركوب الدراجات، فلن يتمكن من توصيل الإلكترونات جيدًا، وستفقد كل الأداء”، مؤكدة “أعتقد أن هناك فرقًا بنسبة 1000٪ في سعة تخزين الطاقة، اعتمادًا على اختيار المنحل بالكهرباء بسبب تأثيرات التورم.”

بديل واعد للبطاريات الخالية من المعادن

وفقًا لمقالهم، فإن البوليمرات الجذرية غير المترافقة (الأقطاب) النشطة الأكسدة والاختزال (الأقطاب) مرشحة واعدة للبطاريات المائية الخالية من المعادن بسبب جهد التفريغ العالي للبوليمرات وحركية الأكسدة والاختزال السريعة، التفاعل معقد ويصعب حله بسبب النقل المتزامن للإلكترونات والأيونات وجزيئات الماء.

ووفقا للباحثين “نوضح طبيعة تفاعل الأكسدة والاختزال من خلال فحص الإلكتروليتات المائية ذات الطابع الفوضوي/ الكوزموتروبي المتنوع باستخدام توازن دقيق بلوري كهروكيميائي مع مراقبة التبديد في مجموعة من النطاقات الزمنية”.

استكملت مجموعة Tabor البحثية الجهود التجريبية بالمحاكاة والتحليل الحسابيين/ أعطت عمليات المحاكاة نظرة ثاقبة للصورة الجزيئية المجهرية للهيكل والديناميكيات.

وقال الدكتور دانيال تابور “غالبًا ما تعمل النظرية والتجربة معًا بشكل وثيق لفهم هذه المواد، أحد الأشياء الجديدة التي نقوم بها حسابيًا في هذه الورقة هو أننا نقوم بالفعل بشحن القطب إلى حالات شحن متعددة، ونرى كيف تستجيب المناطق المحيطة لهذا الشحن”.

الأنظمة المستقبلية

لاحظ الباحثون بشكل 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.

وقال تايور “لقد فعلنا ذلك لشرح ما لوحظ تجريبيا”، “الآن، نود توسيع عمليات المحاكاة الخاصة بنا لتشمل الأنظمة المستقبلية، كنا بحاجة إلى تأكيد نظريتنا حول القوى التي تحرك هذا النوع من حقن الماء والمذيبات.

ويختتم بقوله “مع هذه التقنية الجديدة لتخزين الطاقة، يعد هذا بمثابة دفعة للأمام نحو بطاريات خالية من الليثيوم، لدينا صورة أفضل للمستوى الجزيئي لما يجعل بعض أقطاب البطارية تعمل بشكل أفضل من غيرها، وهذا يعطينا دليلًا قويًا على المكان الذي يجب المضي قدمًا فيه في المواد تصميم”.