الحديد يمكن أن يكون مفتاحًا لبطاريات الليثيوم أيون الأقل تكلفة والصديقة للبيئة.. مزيد من الأمان والاستدامة

ماذا لو كان العنصر المشترك، وليس العناصر النادرة باهظة الثمن، هو العنصر الرئيسي في بطاريات السيارات الكهربائية؟ يأمل التعاون الذي شارك في قيادته باحث كيمياء في جامعة ولاية أوريجون في إثارة ثورة في البطاريات الخضراء من خلال إظهار أنه يمكن استخدام الحديد بدلاً من الكوبالت والنيكل كمادة كاثود في بطاريات أيونات الليثيوم.

النتائج، التي نشرت في مجلة Science Advances ، مهمة لأسباب متعددة، كما يشير Xiulei “David” Ji من ولاية أوريجون، قائلا “لقد قمنا بتحويل تفاعل معدن الحديد، وهو أرخص سلعة معدنية”، “يمكن للقطب الكهربائي الخاص بنا أن يوفر كثافة طاقة أعلى من مواد الكاثود الحديثة في السيارات الكهربائية، وبما أننا نستخدم الحديد، الذي يمكن أن تكون تكلفته أقل من دولار للكيلوجرام الواحد – وهو جزء صغير من النيكل والكوبالت، والذي لا غنى عنها في بطاريات الليثيوم أيون الحالية عالية الطاقة، ومن المحتمل أن تكون تكلفة بطارياتنا أقل بكثير.

مزيد من الأمان والاستدامة

وقال جي، إن الكاثود يمثل في الوقت الحاضر 50% من تكلفة صنع خلية بطارية ليثيوم أيون، وأضاف أنه إلى جانب الاقتصاد، فإن الكاثودات القائمة على الحديد ستسمح بمزيد من الأمان والاستدامة.

ومع تصنيع المزيد من بطاريات الليثيوم أيون لتزويد قطاع النقل بالكهرباء، ارتفع الطلب العالمي على النيكل والكوبالت.

ويشير جي إلى أنه في غضون عقدين من الزمن، سيؤدي النقص المتوقع في النيكل والكوبالت إلى كبح إنتاج البطاريات كما يحدث حاليًا.

بالإضافة إلى ذلك، فإن كثافة طاقة هذه العناصر تمتد بالفعل إلى مستوى السقف – إذا تم دفعها أبعد، فإن الأكسجين المنطلق أثناء الشحن يمكن أن يتسبب في اشتعال البطاريات – بالإضافة إلى أن الكوبالت سام، مما يعني أنه يمكن أن يلوث النظم البيئية ومصادر المياه إذا تسرب. من مدافن النفايات.

وقال جي إنه إذا جمعنا كل ذلك معًا، فسيكون من السهل فهم السعي العالمي إلى كيمياء بطاريات جديدة وأكثر استدامة.

تقوم البطارية بتخزين الطاقة على شكل طاقة كيميائية ومن خلال التفاعلات تحولها إلى الطاقة الكهربائية اللازمة لتشغيل المركبات وكذلك الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والعديد من الأجهزة والآلات الأخرى. هناك أنواع متعددة من البطاريات، لكن معظمها يعمل بنفس الطريقة الأساسية ويحتوي على نفس المكونات الأساسية.

تتكون البطارية من قطبين كهربائيين – الأنود والكاثود، وهما مصنوعان عادة من مواد مختلفة – بالإضافة إلى فاصل وإلكتروليت، وهو وسط كيميائي يسمح بتدفق الشحنات الكهربائية. أثناء تفريغ البطارية، تتدفق الإلكترونات من القطب الموجب إلى دائرة خارجية ثم تتجمع عند الكاثود.

رابع أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية

في بطارية ليثيوم أيون، كما يوحي اسمها، يتم نقل الشحنة عبر أيونات الليثيوم أثناء انتقالها عبر المنحل بالكهرباء من القطب الموجب إلى الكاثود أثناء التفريغ، والعودة مرة أخرى أثناء إعادة الشحن.

وقال جي: “لن يكون الكاثود القائم على الحديد لدينا مقيدًا بنقص الموارد”، موضحًا أن الحديد، بالإضافة إلى كونه العنصر الأكثر شيوعًا على الأرض مقاسًا بالكتلة، هو رابع أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية، “لن ينفد الحديد لدينا حتى تتحول الشمس إلى عملاق أحمر”.

قام جي وزملاؤه من جامعات ومختبرات وطنية متعددة بزيادة تفاعل الحديد في الكاثود من خلال تصميم بيئة كيميائية تعتمد على مزيج من أيونات الفلور والفوسفات، وهي أيونات مشحونة سالبًا.

يسمح المزيج، الذي يتم خلطه جيدًا كمحلول صلب، بالتحويل العكسي – مما يعني إمكانية إعادة شحن البطارية – لخليط ناعم من مسحوق الحديد وفلوريد الليثيوم وفوسفات الليثيوم إلى أملاح الحديد.

وقال جي: “لقد أثبتنا أن تصميم المواد باستخدام الأنيونات يمكن أن يكسر سقف كثافة الطاقة للبطاريات الأكثر استدامة والأقل تكلفة”، مضيفا “نحن لا نستخدم بعض الملح الأكثر تكلفة مع الحديد – فقط تلك التي تستخدمها صناعة البطاريات ثم مسحوق الحديد، ولوضع هذا الكاثود الجديد في التطبيقات، لا يحتاج المرء إلى تغيير أي شيء آخر – لا أنودات جديدة، لا إنتاج جديد الخطوط، لا يوجد تصميم جديد للبطارية، نحن فقط نستبدل شيئًا واحدًا، وهو الكاثود”.

كفاءة التخزين لا تزال بحاجة إلى التحسين

وقال جي، إن كفاءة التخزين لا تزال بحاجة إلى التحسين، في الوقت الحالي، ليست كل الكهرباء التي يتم إدخالها إلى البطارية أثناء الشحن متاحة للاستخدام عند تفريغها. عندما يتم إجراء هذه التحسينات، ويتوقع جي أن يتم ذلك، ستكون النتيجة بطارية تعمل بشكل أفضل بكثير من تلك المستخدمة حاليًا مع تكلفة أقل وأكثر مراعاة للبيئة.

وقال جي: “إذا كان هناك استثمار في هذه التكنولوجيا، فلن يستغرق الأمر وقتًا طويلاً حتى تصبح متاحة تجاريًا”، “نحن بحاجة إلى أصحاب الرؤى في الصناعة لتخصيص الموارد لهذا المجال الناشئ، يمكن للعالم أن يكون لديه صناعة كاثود تعتمد على معدن يكاد يكون مجانيًا مقارنة بالكوبالت والنيكل، وبينما يتعين عليك العمل بجد لإعادة تدوير الكوبالت والنيكل، ولا يتعين عليك حتى إعادة تدوير الحديد، فهو يتحول إلى صدأ إذا تركته.