كتب مصطفى شعبان
نظرًا لأن العالم يبني منشآت أكبر من أي وقت مضى لأنظمة طاقة الرياح والطاقة الشمسية ، فإن الحاجة تتزايد بسرعة لأنظمة احتياطية اقتصادية واسعة النطاق لتوفير الطاقة عندما تغرب الشمس ويكون الهواء هادئًا، لا تزال بطاريات الليثيوم أيون اليوم باهظة الثمن بالنسبة لمعظم هذه التطبيقات ، وتتطلب الخيارات الأخرى مثل ضخ المياه طبوغرافيا معينة غير متوفرة دائمًا.
طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأماكن أخرى نوعًا جديدًا من البطاريات، مصنوعة بالكامل من مواد وفيرة وغير مكلفة، والتي يمكن أن تساعد في سد هذه الفجوة.
تم وصف بنية البطارية الجديدة، التي تستخدم الألمنيوم والكبريت كمواد قطب كهربي، مع إلكتروليت ملح منصهر بينهما، في مجلة Nature ، في ورقة أعدها الأستاذ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا دونالد سادواي، جنبًا إلى جنب مع 15 آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والصين، كندا وكنتاكي وتينيسي.
يوضح سادواي، الأستاذ الفخري لجون إف إليوت في كيمياء المواد: “أردت أن أبتكر شيئًا أفضل، وأفضل بكثير، من بطاريات أيونات الليثيوم للتخزين الثابت على نطاق صغير، وفي النهاية لاستخدامات السيارات”.
بالإضافة إلى كونها باهظة الثمن، تحتوي بطاريات أيونات الليثيوم على إلكتروليت قابل للاشتعال، مما يجعلها أقل من مثالية للنقل، لذلك ، بدأ Sadoway دراسة الجدول الدوري، بحثًا عن معادن رخيصة وفيرة في الأرض والتي قد تكون قادرة على استبدال الليثيوم.
يقول، إن المعدن المهيمن تجاريًا، وهو الحديد، لا يتمتع بالخصائص الكهروكيميائية الصحيحة لبطارية فعالة، لكن ثاني أكثر المعادن وفرة في السوق – وفي الواقع أكثر المعادن وفرة على وجه الأرض – هو الألومنيوم، “لذا، قلت ، حسنًا ، دعونا نجعل ذلك مجرد غلاف. سيكون من الألومنيوم”.
ثم جاء تحديد ما يجب إقران الألمنيوم به للقطب الكهربي الآخر، ونوع الإلكتروليت الذي يجب وضعه بينهما لحمل الأيونات ذهابًا وإيابًا أثناء الشحن والتفريغ. الكبريت هو الأرخص من بين جميع المواد غير المعدنية، لذلك أصبح مادة القطب الكهربائي الثانية، بالنسبة للإلكتروليت ، “لن نستخدم السوائل العضوية المتطايرة والقابلة للاشتعال” التي أدت في بعض الأحيان إلى حرائق خطيرة في السيارات وتطبيقات أخرى لبطاريات الليثيوم أيون.
كما يقول سادواي، لقد جربوا بعض البوليمرات ولكن انتهى بهم الأمر إلى النظر إلى مجموعة متنوعة من الأملاح المنصهرة التي لها نقاط انصهار منخفضة نسبيًا – قريبة من نقطة غليان الماء ، مقابل ما يقرب من 1000 درجة فهرنهايت للعديد من الأملاح، “بمجرد وصولك إلى درجة حرارة قريبة من الجسم، يصبح من العملي” صنع بطاريات لا
المكونات الثلاثة التي انتهى بهم الأمر بها رخيصة ومتوفرة بسهولة – الألومنيوم، لا يختلف عن الرقائق في السوبر ماركت ؛ الكبريت، والذي غالبًا ما يكون ناتجًا نفايات من عمليات مثل تكرير البترول؛ والأملاح المتوفرة على نطاق واسع، يقول سادواي: “المكونات رخيصة، والشيء آمن – لا يمكن أن يحترق”.
أظهر الفريق في تجاربهم أن خلايا البطارية يمكن أن تتحمل مئات الدورات بمعدلات شحن عالية بشكل استثنائي، بتكلفة متوقعة لكل خلية تبلغ حوالي سدس تكلفة خلايا الليثيوم أيون المماثلة.
أظهروا أن معدل الشحن كان يعتمد بشكل كبير على درجة حرارة العمل ، حيث أظهرت 110 درجة مئوية معدلات أسرع 25 مرة من 25 درجة مئوية.
والمثير للدهشة أن الملح المنصهر الذي اختاره الفريق كإلكتروليت لمجرد نقطة انصهاره المنخفضة اتضح أنه يتمتع بميزة عرضية، تتمثل إحدى أكبر المشكلات في موثوقية البطارية في تكوين التشعبات ، وهي عبارة عن مسامير ضيقة من المعدن تتراكم على قطب كهربائي وتنمو في النهاية عبر الاتصال بالقطب الكهربي الآخر، مما يتسبب في حدوث دائرة قصر ويعيق الكفاءة. لكن هذا الملح بالذات جيد جدًا في منع هذا الخلل.
يقول سادواي إن ملح الكلورو ألومينات الذي اختاروه “تقاعد بشكل أساسي من هذه التشعبات الجامحة ، مع السماح أيضًا بشحن سريع للغاية”. “لقد أجرينا تجارب بمعدلات شحن عالية جدًا ، وشحننا في أقل من دقيقة ، ولم نفقد خلايا أبدًا بسبب تقصير التغصنات.”
“إنه أمر مضحك” ، كما يقول ، لأن التركيز كله كان على إيجاد ملح ذي أدنى نقطة انصهار ، ولكن تبين أن الكلورو ألومينات التي انتهى بها الأمر كانت مقاومة لمشكلة التقصير. يقول سادواي: “إذا بدأنا بمحاولة منع الاختصار الشجيري، فلست متأكدًا من أنني كنت سأعرف كيفية متابعة ذلك”. “أعتقد أنها كانت صدفة بالنسبة لنا”.
علاوة على ذلك ، لا تحتاج البطارية إلى مصدر حرارة خارجي للحفاظ على درجة حرارة التشغيل. يتم إنتاج الحرارة بشكل طبيعي كهروكيميائي عن طريق شحن البطارية وتفريغها. يقول سادواي: “أثناء الشحن ، تولد الحرارة ، وهذا يمنع الملح من التجمد. وبعد ذلك ، عند التفريغ ، فإنه يولد أيضًا الحرارة”. في التركيب النموذجي المستخدم لتسوية الحمل في منشأة لتوليد الطاقة الشمسية ، على سبيل المثال ، “ستخزن الكهرباء عندما تكون الشمس مشرقة ، وبعد ذلك ستسحب الكهرباء بعد حلول الظلام ، وستفعل ذلك كل يوم. أن خمول الشحن-الخمول-التفريغ كافٍ لتوليد حرارة كافية لإبقاء الشيء في درجة حرارة. ”
هذه التركيبة الجديدة للبطارية ، كما يقول ، ستكون مثالية للتركيبات ذات الحجم المطلوب تقريبًا لتشغيل منزل واحد أو شركة صغيرة إلى متوسطة ، وتنتج في حدود بضع عشرات من الكيلوواط / ساعة من سعة التخزين.
بالنسبة للمنشآت الأكبر ، التي تصل إلى نطاق من عشرات إلى مئات ميغاواط ساعة ، قد تكون التقنيات الأخرى أكثر فعالية ، بما في ذلك البطاريات المعدنية السائلة التي طورها Sadoway وطلابه منذ عدة سنوات والتي شكلت الأساس لشركة فرعية تسمى Ambri ، والتي تأمل لتسليم منتجاتها الأولى خلال العام المقبل. لهذا الاختراع ، حصل Sadoway مؤخرًا على جائزة المخترع الأوروبي لهذا العام.
يقول سادواي إن الحجم الأصغر لبطاريات الألومنيوم والكبريت سيجعلها عملية للاستخدامات مثل محطات شحن السيارات الكهربائية. ويشير إلى أنه عندما تصبح السيارات الكهربائية شائعة بدرجة كافية على الطرق بحيث ترغب العديد من السيارات في شحنها مرة واحدة ، كما يحدث اليوم مع مضخات وقود البنزين ، “إذا حاولت القيام بذلك بالبطاريات وأردت شحنًا سريعًا ، فإن التيار الكهربائي يكون فقط عالية لدرجة أنه لا يوجد لدينا هذا القدر من التيار في الخط الذي يغذي المنشأة “.
لذا فإن وجود نظام بطارية مثل هذا لتخزين الطاقة ثم تحريرها بسرعة عند الحاجة يمكن أن يلغي الحاجة إلى تركيب خطوط طاقة جديدة باهظة الثمن لخدمة هذه الشواحن.
التكنولوجيا الجديدة هي بالفعل الأساس لشركة فرعية جديدة تسمى Avanti ، والتي قامت بترخيص براءات الاختراع للنظام ، والتي شارك في تأسيسها Sadoway و Luis Ortiz ’96 ScD ’00 ، الذي كان أيضًا أحد مؤسسي Ambri ، يقول سادواي: “أول طلب عمل للشركة هو إثبات أنها تعمل على نطاق واسع” ، ثم إخضاعها لسلسلة من اختبارات الضغط ، بما في ذلك إجراء مئات من دورات الشحن.
هل ستعرض البطارية التي تعتمد على الكبريت لخطر إنتاج الروائح الكريهة المرتبطة ببعض أشكال الكبريت؟ يقول سادواي: ليست فرصة، “رائحة البيض الفاسد موجودة في الغاز، كبريتيد الهيدروجين.
هذا عنصر كبريت ، وسيتم وضعه داخل الخلايا” إذا حاولت فتح خلية أيونات الليثيوم في مطبخك، كما يقول (ويرجى عدم تجربة ذلك في المنزل!) ، “ستتفاعل الرطوبة في الهواء وستبدأ في توليد كل أنواع الأخطاء الغازات أيضًا. هذه أسئلة مشروعة ، لكن البطارية مغلقة ، وهي ليست وعاءً مفتوحًا ، لذا لن أشعر بالقلق حيال ذلك “.
ضم فريق البحث أعضاء من جامعة بكين وجامعة يونان وجامعة ووهان للتكنولوجيا في الصين. جامعة لويزفيل في كنتاكي ؛ جامعة واترلو في كندا ؛ مختبر أوك ريدج الوطني ، تينيسي ؛ و MIT.
