تفقد البطاريات قدرتها بمرور الوقت، وهذا هو السبب وراء نفاد طاقة الهواتف المحمولة القديمة بسرعة أكبر، ومع ذلك، فإن هذه الظاهرة الشائعة ليست مفهومة تمامًا.
والآن، كشف فريق دولي من الباحثين، بقيادة مهندس من جامعة كولورادو بولدر، عن الآلية الأساسية وراء هذا التدهور في البطاريات. وقد يساعد اكتشافهم العلماء على تطوير بطاريات أفضل، مما يسمح للسيارات الكهربائية بالسير لمسافات أطول وتدوم لفترة أطول، مع تطوير تقنيات تخزين الطاقة التي من شأنها تسريع التحول إلى الطاقة النظيفة.
ونشرت النتائج في مجلة ساينس .
تطوير بطاريات الليثيوم أيون
قال مايكل توني، المؤلف المشارك في الدراسة وأستاذ في قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية: “نحن نساعد في تطوير بطاريات الليثيوم أيون من خلال اكتشاف العمليات على المستوى الجزيئي التي تشارك في تحللها”، “إن الحصول على بطارية أفضل أمر مهم للغاية في تحويل البنية التحتية للطاقة لدينا بعيدًا عن الوقود الأحفوري إلى مصادر طاقة متجددة أكثر “.
لقد عمل المهندسون لسنوات على تصميم بطاريات ليثيوم أيون – النوع الأكثر شيوعًا من البطاريات القابلة لإعادة الشحن – بدون الكوبالت.
الكوبالت معدن نادر باهظ الثمن، وقد ارتبطت عملية استخراجه بمخاوف بيئية وحقوقية خطيرة.
في جمهورية الكونغو الديمقراطية، التي تزود العالم بأكثر من نصف الكوبالت، فإن العديد من عمال المناجم من الأطفال.
حتى الآن، حاول العلماء استخدام عناصر أخرى مثل النيكل والمغنيسيوم لتحل محل الكوبالت في بطاريات الليثيوم أيون، لكن هذه البطاريات لديها معدلات أعلى من التفريغ الذاتي، وهو عندما تقلل التفاعلات الكيميائية الداخلية للبطارية من الطاقة المخزنة وتؤدي إلى تدهور سعتها بمرور الوقت، وبسبب التفريغ الذاتي، فإن معظم بطاريات السيارات الكهربائية لها عمر افتراضي يتراوح من سبع إلى عشر سنوات قبل الحاجة إلى استبدالها.
وقد شرع توني، وهو زميل في معهد الطاقة المتجددة والمستدامة، وفريقه في التحقيق في سبب التفريغ الذاتي.
ففي بطارية ليثيوم أيون نموذجية، تنتقل أيونات الليثيوم، التي تحمل الشحنات، من أحد جانبي البطارية، المسمى الأنود، إلى الجانب الآخر، المسمى الكاثود، عبر وسط يسمى الإلكتروليت.
أثناء هذه العملية، يتشكل تيار كهربائي من تدفق هذه الأيونات المشحونة لتشغيل الأجهزة الإلكترونية.
ويؤدي شحن البطارية إلى عكس تدفق الأيونات المشحونة وإعادتها إلى الأنود.
في السابق، اعتقد العلماء أن البطاريات تفرغ نفسها ذاتيًا لأن أيونات الليثيوم لا تعود جميعها إلى الأنود عند الشحن، مما يقلل من عدد الأيونات المشحونة المتاحة لتشكيل التيار وتوفير الطاقة.
وباستخدام جهاز Advanced Photon Source، وهو جهاز أشعة سينية قوي، في مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية في إلينوي، اكتشف فريق البحث أن جزيئات الهيدروجين من إلكتروليت البطارية تنتقل إلى الكاثود وتحتل البقع التي ترتبط بها أيونات الليثيوم عادة.
ونتيجة لذلك، أصبح لدى أيونات الليثيوم عدد أقل من الأماكن التي ترتبط بها على الكاثود، مما يضعف التيار الكهربائي ويقلل من سعة البطارية.
معالجة كل هذه القضايا
يعد النقل المصدر الأكبر للغازات المسببة للاحتباس الحراري في الولايات المتحدة، حيث يمثل 28% من انبعاثات البلاد في عام 2021. وفي محاولة للحد من الانبعاثات، تعهدت العديد من شركات صناعة السيارات بالابتعاد عن تطوير سيارات تعمل بالبنزين إلى إنتاج المزيد من المركبات الكهربائية بدلاً من ذلك.
لكن مصنعي السيارات الكهربائية يواجهون مجموعة من التحديات، بما في ذلك مدى القيادة المحدود، وتكاليف الإنتاج الأعلى، وعمر البطارية الأقصر من المركبات التقليدية.
في السوق الأمريكية، يمكن للسيارة الكهربائية النموذجية أن تقطع مسافة 250 ميلاً بشحنة واحدة، أي حوالي 60% من السيارة التي تعمل بالبنزين.
وقال توني، إن الدراسة الجديدة لديها القدرة على معالجة كل هذه القضايا، مضيفا “يريد جميع المستهلكين سيارات ذات مدى قيادة كبير.
يمكن لبعض هذه البطاريات التي تحتوي على نسبة منخفضة من الكوبالت أن توفر مدى قيادة أعلى، ولكننا نحتاج أيضًا إلى التأكد من أنها لا تتفكك في فترة زمنية قصيرة”، مشيرًا إلى أن تقليل الكوبالت يمكن أن يقلل أيضًا من التكاليف ويعالج مخاوف حقوق الإنسان والعدالة في مجال الطاقة.
ومن خلال فهم أفضل لآلية التفريغ الذاتي، يمكن للمهندسين استكشاف بعض الطرق لمنع هذه العملية، مثل طلاء الكاثود بمادة خاصة لمنع جزيئات الهيدروجين أو استخدام إلكتروليت مختلف.
وقال توني: “الآن بعد أن فهمنا ما الذي يسبب تدهور البطاريات، يمكننا إبلاغ مجتمع كيمياء البطاريات بما يحتاج إلى تحسين عند تصميم البطاريات”.
