قام الباحثون بقيادة جينكي كوباياشي في مجموعة RIKEN للأبحاث الرائدة في اليابان بتطوير إلكتروليت صلب لنقل أيونات الهيدريد (H – ) في درجة حرارة الغرفة.
ويعني هذا الإنجاز أن مزايا بطاريات الحالة الصلبة وخلايا الوقود القائمة على الهيدروجين أصبحت في متناول اليد عمليا، بما في ذلك تحسين السلامة والكفاءة وكثافة الطاقة، وهي ضرورية للتقدم نحو اقتصاد عملي للطاقة قائم على الهيدروجين.
ونشرت الدراسة في مجلة مواد الطاقة المتقدمة.
لكي يصبح تخزين الطاقة والوقود المعتمد على الهيدروجين أكثر انتشارًا، يجب أن يكون آمنًا وفعالًا للغاية وبسيطًا قدر الإمكان.
تعمل خلايا الوقود الهيدروجينية الحالية المستخدمة في السيارات الكهربائية عن طريق السماح لبروتونات الهيدروجين بالمرور من أحد طرفي خلية الوقود إلى الطرف الآخر عبر غشاء بوليمر عند توليد الطاقة.
تتطلب حركة الهيدروجين الفعالة وعالية السرعة في خلايا الوقود هذه الماء، مما يعني أنه يجب ترطيب الغشاء باستمرار حتى لا يجف.
يضيف هذا القيد طبقة من التعقيد والتكلفة إلى تصميم البطاريات وخلايا الوقود، مما يحد من التطبيق العملي لاقتصاد الطاقة المعتمد على الهيدروجين من الجيل التالي.
وللتغلب على هذه المشكلة، ظل العلماء يكافحون من أجل إيجاد طريقة لتوصيل أيونات الهيدريد السالبة من خلال المواد الصلبة ، خاصة في درجة حرارة الغرفة.
انتهى وقت الإنتظار
يقول كوباياشي: “لقد حققنا إنجازًا حقيقيًا”، “النتيجة التي توصلنا إليها هي أول عرض لكهارل صلب موصل لأيون الهيدريد في درجة حرارة الغرفة.”
كان الفريق يجري تجارب على هيدريدات اللانثانوم (LaH 3-δ ) لعدة أسباب: يمكن إطلاق الهيدروجين والتقاطه بسهولة نسبية، وتوصيل أيون الهيدريد مرتفع جدًا، ويمكن أن يعمل في درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية، وله بنية بلورية.
ولكن في درجة حرارة الغرفة، يتأرجح عدد ذرات الهيدروجين المرتبطة باللانثانم بين 2 و3، مما يجعل من المستحيل الحصول على توصيل فعال.
تُسمى هذه المشكلة بقياس الهيدروجين غير المتكافئ وكانت أكبر عقبة تم التغلب عليها في الدراسة الجديدة.
عندما استبدل الباحثون بعض اللانثانوم بالسترونتيوم (Sr) وأضافوا قليلًا من الأكسجين للحصول على الصيغة الأساسية La 1-x Sr x H 3-x-2y O y ، حصلوا على النتائج التي كانوا يأملون فيها.
قام الفريق بإعداد عينات بلورية من المادة باستخدام عملية تسمى الطحن الكروي، يليها التلدين.
وقاموا بدراسة العينات في درجة حرارة الغرفة ووجدوا أنهم يستطيعون توصيل أيونات الهيدريد بمعدل مرتفع.
بعد ذلك، اختبروا أدائها في خلية وقود صلبة مصنوعة من المادة الجديدة والتيتانيوم، مع تغيير كميات السترونتيوم والأكسجين في الصيغة، مع القيمة المثلى التي لا تقل عن 0.2 سترونتيوم، لاحظوا تحويلًا كاملاً بنسبة 100% للتيتانيوم إلى هيدريد التيتانيوم، أو TiH 2 وهذا يعني أنه تم إهدار ما يقرب من الصفر من أيونات الهيدريد.
نقطة مهمة لتطوير البطاريات وخلايا الوقود
يقول كوباياشي: “على المدى القصير، توفر نتائجنا إرشادات لتصميم المواد للكهارل الصلبة الموصلة للأيونات الهيدريدية “، “على المدى الطويل، نعتقد أن هذه نقطة انعطاف في تطوير البطاريات وخلايا الوقود والخلايا التحليلية التي تعمل باستخدام الهيدروجين.”
وستكون الخطوة التالية هي تحسين الأداء وإنشاء مواد قطب كهربائي يمكنها امتصاص الهيدروجين وإطلاقه بشكل عكسي، وهذا من شأنه أن يسمح بإعادة شحن البطاريات، فضلاً عن إمكانية تخزين الهيدروجين وإطلاقه بسهولة عند الحاجة، وهو شرط لاستخدام الطاقة المعتمدة على الهيدروجين .
