بطاريات الزنك المعدنية الجديدة رخيصة وفعالة ومتينة وآمنة وصديقة للبيئة

يحتاج العالم إلى بطاريات رخيصة وقوية يمكنها تخزين الكهرباء المنتجة بشكل مستدام من الرياح أو ضوء الشمس حتى نتمكن من استخدامها متى احتجنا إليها، حتى عندما يكون الظلام بالخارج أو لا تهب الرياح. البطاريات الأكثر شيوعًا التي تشغل هواتفنا الذكية وسياراتنا الكهربائية هي بطاريات ليثيوم أيون.

هذه البطاريات باهظة الثمن لأن الطلب العالمي على الليثيوم آخذ في الارتفاع، وهذه البطاريات قابلة للاشتعال أيضًا.

توفر بطاريات الزنك المائية بديلاً واعدًا لبطاريات الليثيوم أيون هذه، لقد ابتكر فريق دولي من الباحثين بقيادة ETH Zurich استراتيجية تحقق تقدمًا رئيسيًا في تطوير بطاريات الزنك هذه، مما يجعلها أكثر قوة وأمانًا وصديقة للبيئة.

المتانة هي التحدي

هناك عدد من المزايا لبطاريات الزنك: الزنك متوفر بوفرة ورخيصة وبنية تحتية ناضجة لإعادة التدوير، يمكن لبطاريات الزنك تخزين الكثير من الكهرباء، الأهم من ذلك، لا تتطلب بطاريات الزنك بالضرورة استخدام مذيبات عضوية شديدة الاشتعال كسائل إلكتروليت ، حيث يمكن تصنيعها أيضًا باستخدام إلكتروليتات مائية بدلاً من ذلك.

إذا لم تكن هناك تحديات يجب على المهندسين مواجهتها عند تطوير هذه البطاريات: عندما يتم شحن بطاريات الزنك بجهد عالي، يتفاعل الماء الموجود في سائل الإلكتروليت على أحد الأقطاب لتكوين غاز الهيدروجين، عندما يحدث هذا، يتضاءل السائل المنحل بالكهرباء ويقل أداء البطارية.

علاوة على ذلك، يتسبب هذا التفاعل في تراكم الضغط الزائد في البطارية والذي قد يكون خطيرًا، هناك مشكلة أخرى تتمثل في تكوين رواسب شائكة من الزنك أثناء شحن البطارية، والتي تُعرف باسم التشعبات، والتي يمكن أن تخترق البطارية وفي أسوأ الحالات حتى تتسبب في حدوث ماس كهربائي وتجعل البطارية غير صالحة للاستعمال.

الأملاح تجعل البطاريات سامة

في السنوات الأخيرة، اتبع المهندسون استراتيجية إثراء السائل المنحل بالكهرباء المائي بالأملاح من أجل الحفاظ على محتوى الماء عند أدنى مستوى ممكن.

ولكن هناك أيضًا عيوب لهذا: فهو يجعل السائل المنحل بالكهرباء لزجًا، مما يبطئ عمليات الشحن والتفريغ إلى حد كبير، إضافة إلى أن الكثير من الأملاح المستخدمة تحتوي على الفلور مما يجعلها سامة ومضرة بالبيئة.

ماريا لوكاتسكايا، أستاذة أنظمة الطاقة الكهروكيميائية في ETH زيورخ، انضمت الآن إلى زملائها من العديد من المؤسسات البحثية في الولايات المتحدة وسويسرا للبحث بشكل منهجي عن تركيز الملح المثالي لبطاريات الزنك القائمة على الماء، باستخدام التجارب المدعومة بمحاكاة الكمبيوتر، تمكن الباحثون من الكشف عن أن تركيز الملح المثالي ليس، كما كان يُفترض سابقًا، أعلى تركيز ممكن، ولكنه منخفض نسبيًا: من خمسة إلى عشرة جزيئات ماء لكل أيون ملح موجب.

نُشرت النتائج في مجلة Energy & Environmental Science.

أداء طويل الأمد وشحن سريع

لم يستخدم الباحثون أي أملاح ضارة بالبيئة لتحسينها، واختاروا بدلاً من ذلك أملاح حمض الأسيتيك الصديقة للبيئة، والتي تسمى الأسيتات.

يقول داريو جوميز فاسكيز، طالب الدكتوراه في مجموعة لوكاتسكايا، والمؤلف الرئيسي لكتاب الدراسة، علاوة على ذلك، من خلال نهجنا، يمكن شحن البطاريات وتفريغها بشكل أسرع،حتى الآن، اختبر باحثو ETH إستراتيجيتهم الجديدة للبطاريات على نطاق معمل صغير نسبيًا، ستكون الخطوة التالية هي توسيع نطاق النهج ومعرفة ما إذا كان يمكن ترجمته أيضًا للبطاريات الكبيرة.

التحديات

من الناحية المثالية، يمكن استخدامها يومًا ما كوحدات تخزين في شبكة الطاقة للتعويض عن التقلبات، على سبيل المثال، أو في أقبية منازل الأسرة الواحدة للسماح باستخدام الطاقة الشمسية المنتجة خلال النهار في المساء.

لا تزال هناك بعض التحديات التي يجب التغلب عليها قبل أن تصبح بطاريات الزنك جاهزة للسوق، كما يوضح أستاذ ETH Lukatskaya، تتكون البطاريات من قطبين – القطب الموجب والكاثود – والسائل المنحل بالكهرباء بينهما،”لقد أظهرنا أنه من خلال ضبط تركيبة الإلكتروليت، يمكن تمكين الشحن الفعال لأنود الزنك”، “يجب تحسين مواد أداء الكاثود أيضًا لتحقيق بطاريات زنك متينة وفعالة”.