بطارية خالية من الكوبالت لتوليد طاقة أنظف.. التحول إلى عالم أكثر اخضرارًا

تعد البطاريات القابلة لإعادة الشحن ذات السعة العالية والموثوقة عنصرًا حاسمًا في العديد من الأجهزة وحتى وسائل النقل، يلعبون دورًا رئيسيًا في التحول إلى عالم أكثر اخضرارًا.

وتستخدم في إنتاجها مجموعة واسعة من العناصر، بما في ذلك الكوبالت، الذي يساهم إنتاجه في بعض القضايا البيئية والاقتصادية والاجتماعية.

لأول مرة، يقدم فريق يضم باحثين من جامعة طوكيو بديلاً قابلاً للتطبيق للكوبالت والذي يمكن أن يتفوق في بعض النواحي على أحدث كيمياء البطاريات،كما أنه ينجو من عدد كبير من دورات إعادة الشحن، ويمكن تطبيق النظرية الأساسية على مشاكل أخرى.

من المحتمل أنك تقرأ هذه المقالة على جهاز كمبيوتر محمول أو هاتف ذكي، وإذا لم يكن الأمر كذلك، فمن المحتمل أنك تمتلك واحدًا منها على الأقل. ستجد داخل أي من الجهازين، والعديد من الأجهزة الأخرى، بطارية ليثيوم أيون (LIB).

لعقود من الزمن، كانت LIBs هي الطريقة القياسية لتشغيل الأجهزة والآلات الإلكترونية المحمولة أو المحمولة. مع تحول العالم عن الوقود الأحفوري، يُنظر إليه على أنه خطوة مهمة للاستخدام في السيارات الكهربائية والبطاريات المنزلية لأولئك الذين لديهم ألواح شمسية.

تدوم لفترة أطول أو توفر الطاقة لآلات أكثر طلبا

ولكن كما أن للبطاريات نهاية موجبة ونهاية سلبية، فإن LIBs لديها نقاط سلبية مقابل نقاطها الإيجابية، لسبب واحد، على الرغم من أنها من أكثر مصادر الطاقة المحمولة المتوفرة كثافة في الطاقة، إلا أن الكثير من الناس يتمنون أن تنتج LIBs كثافة طاقة أكبر لجعلها إما تدوم لفترة أطول أو توفر الطاقة لآلات أكثر تطلبًا.

كما يمكنها البقاء على قيد الحياة لعدد كبير من دورات إعادة الشحن، ولكنها تتحلل أيضًا بمرور الوقت؛ سيكون من الأفضل للجميع أن تتمكن البطاريات من البقاء على قيد الحياة لمزيد من دورات الشحن والحفاظ على سعتها لفترة أطول.

ولكن ربما تكون المشكلة الأكثر إثارة للقلق في LIBs الحالية تكمن في أحد العناصر المستخدمة في بنائها.

بديل جديد للكوبالت

يستخدم الكوبالت على نطاق واسع لجزء رئيسي من LIBs، الأقطاب الكهربائية، تعمل جميع البطاريات بطريقة مماثلة: يعمل قطبان كهربائيان، أحدهما إيجابي والآخر سلبي، على تعزيز تدفق أيونات الليثيوم بينهما في ما يسمى المنحل بالكهرباء عند توصيله بدائرة خارجية، ومع ذلك، يعتبر الكوبالت عنصرًا نادرًا؛ نادر جدًا في الواقع، حيث لا يوجد سوى مصدر رئيسي واحد في الوقت الحاضر: سلسلة من الألغام الموجودة في جمهورية الكونغو الديمقراطية.

وقد تم الإبلاغ عن العديد من القضايا على مر السنين حول العواقب البيئية لهذه المناجم، فضلا عن ظروف العمل هناك، بما في ذلك استخدام عمالة الأطفال، ومن منظور العرض أيضًا، يمثل مصدر الكوبالت مشكلة بسبب عدم الاستقرار السياسي والاقتصادي في المنطقة.

وقال البروفيسور أتسو يامادا من قسم هندسة النظم الكيميائية، وفقا لما تم نشره في مجلة Nature Sustainability: “هناك العديد من الأسباب التي تجعلنا نرغب في الابتعاد عن استخدام الكوبالت من أجل تحسين بطاريات الليثيوم أيون”.

وأضاف “بالنسبة لنا، التحدي هو تقني، ولكن تأثيره يمكن أن يكون بيئيًا واقتصاديًا واجتماعيًا وتكنولوجيًا، ويسعدنا أن نعلن عن بديل جديد للكوبالت باستخدام مزيج جديد من العناصر في الأقطاب الكهربائية، بما في ذلك الليثيوم والنيكل والمنجنيز، والسيليكون والأكسجين – كلها عناصر أكثر شيوعًا وأقل إشكالية في الإنتاج والعمل بها”.

تحسين كيمياء البطارية الحالية

إن الأقطاب الكهربائية والكهارل الجديدة التي ابتكرها يامادا وفريقه لا تخلو من الكوبالت فحسب، بل إنها تعمل بالفعل على تحسين كيمياء البطارية الحالية في بعض النواحي.

كثافة طاقة LIBs الجديدة أعلى بحوالي 60%، وهو ما يمكن أن يعادل عمرًا أطول، ويمكنها توفير 4.4 فولت، مقابل حوالي 3.2-3.7 فولت من LIBs النموذجية، لكن أحد الإنجازات التكنولوجية الأكثر إثارة للدهشة هو تحسين خصائص إعادة الشحن.

تمكنت بطاريات الاختبار باستخدام الكيمياء الجديدة من الشحن والتفريغ الكامل لأكثر من 1000 دورة (محاكاة ثلاث سنوات من الاستخدام الكامل والشحن)، بينما فقدت حوالي 20% فقط من سعتها التخزينية.

التغلب على التحديات

قال يامادا “نحن سعداء بالنتائج حتى الآن، ولكن الوصول إلى هنا لم يكن خاليًا من التحديات، لقد كان صراعًا لمحاولة قمع التفاعلات غير المرغوب فيها المختلفة التي كانت تحدث في الإصدارات المبكرة من كيمياء البطاريات الجديدة لدينا والتي كان من الممكن أن تقلل بشكل كبير من طول عمر البطارية”.

وأوضح “ولا يزال أمامنا طريق طويل لنقطعه، حيث توجد ردود فعل طفيفة متبقية للتخفيف من أجل تحسين السلامة وطول العمر بشكل أكبر، في الوقت الحاضر، نحن واثقون من أن هذا البحث سيؤدي إلى تحسين البطاريات للعديد من التطبيقات، ولكن بعضها، حيث تكون هناك حاجة إلى أقصى قدر من المتانة وعمر الخدمة، قد لا نكون راضين حتى الآن”.

على الرغم من أن يامادا وفريقه كانوا يستكشفون التطبيقات في LIBs، إلا أن المفاهيم التي تكمن وراء تطورهم الأخير يمكن تطبيقها على العمليات والأجهزة الكهروكيميائية الأخرى، بما في ذلك أنواع أخرى من البطاريات، وتقسيم الماء (لإنتاج الهيدروجين والأكسجين)، وصهر الخام، والطلاء الكهربائي.