في سعيهم للقدرة على تخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح المتجددة على الشبكة الكهربائية لاستخدامها في الأوقات التي لا تشرق فيها الشمس ولا تهب الرياح، يبحث العلماء في عدد من الأنواع المختلفة من الكيميائيات الكبيرة، بطاريات كبيرة الحجم التي يمكن استخدامها للتخزين الشبكي.
تم تحديد أحد المرشحين لهذا النوع من كيمياء البطاريات، المسمى ببطارية أيون الزنك المائية (AZIB)، على أنه تقنية واعدة لتخزين الشبكة التي يمكن أن تساعد في تعظيم مزايا مصادر الطاقة المتجددة، يعتمد أساس القدرة على تحمل التكاليف والسلامة في AZIBs على استخدام الزنك، وهو معدن رئيسي مستدام ، كمواد الأنود في الخلية.
بالمقارنة مع الليثيوم في بطاريات الليثيوم أيون التجارية، فإن الزنك أكثر وفرة بشكل طبيعي، ومتوافق للغاية مع الماء، مما يسمح بالاستخدام المباشر للكهرباء ذات الأساس المائي، وغير القابلة للاشتعال والفعالة من حيث التكلفة.
تواجه العديد من التحديات
في دراسة جديدة أجراها باحثون في جامعة واترلو يعملون كجزء من المركز المشترك لأبحاث تخزين الطاقة، ومقرها في مختبر أرجون التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ( DOE) ، اقترح العلماء أن العديد من الادعاءات في الأدبيات المفتوحة كانت المبالغة في التقدير خطأً، وأن بطاريات أيون الزنك لا تزال تواجه العديد من التحديات.
قالت ليندا نزار، الأستاذة بجامعة واترلو، التي شاركت مع طالبة الدراسات العليا تشانج لي، المؤلفان الرئيسيان للدراسة: ” يجلب أنود الزنك أمانًا عاليًا وتكلفة منخفضة لبطاريات أيون الزنك المائية لأنه مستقر مع معظم الإلكتروليتات المائية”، أثناء دورة الشحن والتفريغ، يميل الزنك إلى النمو في شكل بلورات عشوائية وشائكة – تسمى التشعبات – والتي يمكن أن تتسبب بسهولة في حدوث دائرة قصر عند شحن البطاريات، على الرغم من الإبلاغ عن العديد من الاستراتيجيات لحل مشكلة التغصنات الزنك، إلا أن القليل منها فقط يمكنه تلبية متطلبات التطبيقات العملية “.
تظل التحديات أيضًا على جانب الكاثود، وفقًا لنزار، يمكن لجزيئات الماء في المنحل بالكهرباء المائي أن تتفكك تلقائيًا إلى أيونات الهيدروكسيد والبروتونات.
بينما تتنافس البروتونات مع أيونات الزنك في عملية الانتقال ذهابًا وإيابًا إلى مواد كاثود البطارية – وهي عملية تُعرف باسم الإقحام – يمكن أن تتحد أيونات الهيدروكسيد المتبقية مع الزنك.
ينتج عن هذا التفاعل مركبات تسمى هيدروكسيدات الزنك ذات الطبقات المزدوجة، حيث توضح الباحثة، أنها تترسب على سطح الكاثود و”أخرج الزنك من المعادلة، مما يؤدي إلى عزل السطح في تفاعل جانبي ضار للغاية.”
السؤال الرئيسي الذي يواجه بطاريات الزنك، من وجهة نظر الباحثين، هو كيفية قمع النشاط المائي، وقالت الباحثة، إن الإجابة يمكن أن تكمن في إلكتروليت هجين غير مائي/ مائي يمكن أن يساعد في عزل الماء ، ومنع تفككه ” لقد ثبت أن هذه الإلكتروليتات فعالة جدًا في ضمان سيطرة إدخال أيونات الزنك على الكيمياء”.
خطأ الاعتماد على إدخال البروتون أكثر بكثير من إقحام الزنك
حددت نزار، عيبًا إضافيًا ملحوظًا لبعض الأبحاث المتعلقة ببطاريات الزنك، مؤكداً أن الدراسات التي شغلت البطاريات بمعدلات دوران عالية بشكل استثنائي تميل إلى الاعتماد على إدخال البروتون أكثر بكثير من إقحام الزنك.
وقالت: “إن الدوران الفائق السرعة لبطاريات الزنك لن يساعد في تخزين الشبكة على نطاق واسع”،” نحن نحاول وضع الأمور في نصابها – دورة بمعدلات معتدلة فقط ثم نقوم بهندسة الإلكتروليت لمنع تفكك الماء”.
ورقة مبنية على الدراسة، ظهر ” نحو بطاريات أيون الزنك المائية العملية لتخزين الطاقة الكهروكيميائية” في 11 أغسطس على الإنترنت، وقد تم دعم هذا العمل من قبل المركز المشترك لأبحاث تخزين الطاقة، ومكتب وزارة الطاقة للعلوم، ومركز ابتكار الطاقة، ومن قبل مركز خصائص النقل المتوسط الحجم، وهو أحد مكاتب العلوم في مركز أبحاث الطاقة الحدودية التابع لوزارة الطاقة .
