بطارية مائية تتحمل 120,000 شحنة وقد تعمل لمئات السنين

طور باحثون في جامعة مدينة هونج كونج (CityUHK) بطارية مائية جديدة، نجحت في تحمل 120,000 دورة شحن وتفريغ في محلول ملحي محايد مشابه لمحلول التوفو.
تم نشر الدراسة في مجلة Nature، هذا الإنجاز يعيد تعريف عمر البطاريات القابلة للشحن ويقدم خيارًا آمنًا للتخلص منها بعد عقود من الاستخدام.

كيمياء متعادلة تحقق الاستقرار

البطارية تعمل في مياه عادية دون التحلل الكيميائي الذي يحد من عمر العديد من الخلايا التقليدية.

وأكد الدكتور تشونيي تشي أن استقرار البطارية الطويل مرتبط بالكيمياء المحايدة غير المسببة للتآكل. حتى بعد دورات شحن متعددة، حافظت الأقطاب الكهربائية على هيكلها وأدائها دون تدهور.

مستوحاة من التوفو

استُخدمت الأملاح الموجودة في محلول التوفو، مثل كلوريد المغنيسيوم وكبريتات الكالسيوم، كإلكتروليت ينقل الشحنة بين الأقطاب، حافظت هذه التركيبة على الحيادية عند درجة حموضة 7، ما قلل التآكل الداخلي، مع دفع الفريق لإعادة تصميم القطب السالب.

تصميم قطب سالب جديد

استُخدم بوليمر عضوي تساهمي بديل عن المعدن للقطب السالب، مع قنوات مسامية لتخزين الأيونات دون ترسيب المعادن.
واختيرت مادة Hex TADD، شبكة كربونية من وحدات مترابطة تسمح للحركة السهلة للإلكترونات داخل البنية.

القطب الموجب: الأزرق البروسي

اعتمد القطب الموجب على مركب شبيه باللون الأزرق البروسي، قادر على تبادل الأيونات مع الحفاظ على استقراره المائي.
وبفضل هذا الزوج من الأقطاب، وصلت البطارية إلى جهد 2.2 فولت، مع الحفاظ على الاستقرار على الرغم من حدود الماء للطاقة العالية.

اختبارات العمر الافتراضي

أثبتت الاختبارات أن البطارية صمدت أمام 120,000 دورة شحن، ما يوازي عمرًا نظريًا يزيد عن 300 سنة إذا شُحنت مرة يوميًا.
هذه المتانة مهمة للأماكن التي يصعب فيها استبدال البطاريات، مثل الحساسات البعيدة أو وحدات تخزين الشبكات الكهربائية.

السعة الطاقية والتطبيق العملي

خزنت البطارية حوالي 3,200 مللي أمبير-ساعة لكل أوقية من المادة الفعالة، أي 112.8 مللي أمبير-ساعة لكل جرام.
الطاقة النوعية وصلت إلى 22 واط-ساعة لكل رطل، أي 48.3 واط-ساعة لكل كيلوجرام، على الرغم من أنها أقل من بطاريات الليثيوم من حيث الطاقة المدمجة، إلا أنها مناسبة للتطبيقات الكبيرة والثابتة.

الأمان والتخلص البيئي

الكيمياء المتعادلة تجعل أي تسرب يشبه ببساطة ماء مالح، بعكس بطاريات الليثيوم التي تُصنّف غالبًا كنفايات خطرة.
البطارية مصنفة غير سامة ويمكن التخلص منها وفق عدة معايير، بما في ذلك قوانين النفايات الخطرة الأمريكية.

التحديات في التوسع

تحويل البطارية من النموذج المختبري إلى إنتاج تجاري يتطلب تعبئة المزيد من الطاقة في مساحة أصغر دون فقدان الأمان، مع الحفاظ على بنية البوليمر السالبة والقدرة على الحركة الحرارية للأيونات.

آفاق مستقبلية

يجمع النظام بين الملح المحايد، القطب العضوي السالب، ومادة الأزرق البروسي الموجبة، ما يمنح البطارية عمرًا طويلًا واستدامة بيئية، مع تحسين الطاقة والتصنيع، يمكن لهذه الكيمياء أن تقلل بشكل كبير من النفايات المرتبطة بالبطاريات التقليدية.