البطاريات الخالية من المعادن تبعث الأمل في شبكات أكثر استدامة وأقل تكلفة.. بدائل رخيصة لبطاريات الليثيوم أيون

البطاريات القابلة لإعادة الشحن التي تستخدم كاتيونات الأمونيوم كحاملات شحن يمكن أن توفر بدائل صديقة للبيئة ومستدامة للبطاريات القائمة على أيونات المعادن.

تعد بطاريات أيونات المعادن ، مثل بطاريات الليثيوم أيون، هي حل تخزين الطاقة، يهيمنون على سوق الإلكترونيات الاستهلاكية المحمولة والمركبات الكهربائية بسبب كثافة طاقتهم العالية وتعدد استخداماتهم، فإن أيونات المعادن المستخدمة في الإلكتروليتات تأتي من موارد محدودة ومتناقصة، مما يهدد التوافر على المدى الطويل، يمكن أن تكون سميتها وقابليتها للاشتعال غير آمنة ومضرة بالبيئة.

كانت هناك عدة محاولات لتوليد بطاريات قائمة على أيونات الأمونيوم لحل قضايا الاستدامة والبيئة لأن هذه الكاتيونات خفيفة الوزن وسهلة التركيب وإعادة التدوير، فإن كاتيونات الأمونيوم عرضة للاختزال إلى هيدروجين وأمونيا بقدرة تشغيل منخفضة، مما يمنع البطاريات من تحقيق إمكاناتها الكاملة، كما أنها تذوب بسهولة في الإلكتروليتات، مما يجعل من الصعب دمجها في مواد الإلكترود.

بطارية خالية من المعادن

طور حسام الشريف، والباحث زيهامنج تشاو، وزملاء في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية بالمملكة العربية السعودية، العمل بطارية خالية من المعادن عالية الكفاءة من خلال الجمع بين إلكتروليت يحتوي على الأمونيوم مع أقطاب كربونية.

يقول تشاو، إن كاثود الجرافيت وأنود أشباه الموصلات العضوية أقل تكلفة وصديقان للبيئة ومتجددان.

مع كاتيونات الأمونيوم، اختار الباحثون أيونات سداسي فلورو الفوسفات كحاملات شحنة سالبة واستغلوا قدرة الجرافيت على استيعاب هذه الأنيونات بشكل عكسي داخل طبقاتها لإنشاء بطارية “ثنائية الأيونات”، في البطارية، يتم إدخال الكاتيونات والأنيونات في وقت واحد في القطب المقابل لها أثناء دورات الشحن ويتم إطلاقها في المنحل بالكهرباء أثناء دورات التفريغ.

غربلة سلسلة من المذيبات

نُشرت الدراسة في مجلة Angewandte Chemie International Edition ، حيث يقول تشاو، إن هذا يميز عملهم عن الدراسات الأخرى، مضيفا، لقد صممنا إلكتروليتًا مضادًا للأكسدة ومضادًا للضغط على حد سواء عن طريق غربلة سلسلة من المذيبات المقاومة للجهد العالي، وأيضًا مع الأخذ في الاعتبار ثبات تقليله”.

وأوضح “أن المذيب المضاد للأكسدة يقوم بشكل أساسي بحل الأنيونات التي تشارك في تفاعل الكاثود، بينما شكل نظيره المضاد للتأكسد كرة ذوبان حول الكاتيونات المتضمنة في تفاعل الأنود، هذا التكوين مهم لاستقرار البطارية”.

يقول تشاو: تفوقت البطارية على نظائرها الحالية القائمة على الأمونيوم بجهد تشغيل قياسي يبلغ 2.75 فولت، “من الممكن الآن تطوير بطاريات أيونات غير فلزية عالية الطاقة يمكنها منافسة بطاريات أيونات المعادن”.

خفض تكاليف البطاريات

يعمل الفريق حاليًا على تحسين الأداء للاقتراب من التطبيقات واسعة النطاق، حيث قال تشاو: “نحن نستكشف مواد الأنود ذات السعة العالية، وهو أمر حاسم لتحسين كثافة الطاقة”.

تعمل مجموعة الشريف على تطوير بدائل رخيصة لبطاريات الليثيوم أيون، خاصة للتخزين على نطاق الشبكة، حيث يقول الشريف: “لإزالة الكربون تمامًا عن الشبكة في نهاية المطاف، يجب أن تنخفض تكاليف البطاريات بشكل كبير”، يمكن أن يساعد استبدال الليثيوم بناقلات الشحن غير المعدنية، مثل أيونات الأمونيوم، في خفض هذه التكاليف.