بطارية هواء جديدة ومتينة وقابلة لإعادة الشحن

تستخدم المعادن عادة كمواد فعالة للأقطاب السالبة في البطاريات، في الآونة الأخيرة، تم استخدام الجزيئات العضوية النشطة في الأكسدة والاختزال، مثل جزيئات الكينون والأمين، كأقطاب كهربائية سالبة في بطاريات معدنية – هواء قابلة لإعادة الشحن مع أقطاب موجبة مخفضة للأكسجين.

تشارك البروتونات وأيونات الهيدروكسيد في تفاعلات الأكسدة والاختزال. تُظهر هذه البطاريات أداءً عاليًا ، قريبًا من السعة القصوى الممكنة نظريًا.

علاوة على ذلك ، فإن استخدام جزيئات عضوية نشطة الأكسدة والاختزال في بطاريات الهواء القابلة لإعادة الشحن يتغلب على المشاكل المرتبطة بالمعادن ، بما في ذلك تكوين هياكل تسمى “التشعبات” ، والتي تؤثر على أداء البطارية ولها تأثير سلبي على البيئة. ومع ذلك ، فإن هذه البطاريات تستخدم إلكتروليتات سائلة – تمامًا مثل البطاريات القائمة على المعدن – والتي تشكل مخاوف كبيرة تتعلق بالسلامة مثل المقاومة الكهربائية العالية ، وتأثيرات الترشيح ، والقابلية للاشتعال.

الآن ، في دراسة حديثة نُشرت في Angewandte Chemie International Edition ، طورت مجموعة من الباحثين اليابانيين بطارية هواء قابلة لإعادة الشحن صلبة بالكامل (SSAB) وفحصوا قدرتها ومتانتها.

قاد الدراسة البروفيسور كينجي مياتاكي من جامعة واسيدا وجامعة ياماناشي، وشارك في تأليفها البروفيسور كينيتشي أويازو من جامعة واسيدا.

اختار الباحثون مادة كيميائية تسمى 2،5-ديهيدروكسي-1،4-بنزوكوينون (DHBQ) والبوليمر بولي (2،5-ديهيدروكسي-1،4-بنزكوينون-3،6-ميثيلين) (PDBM) كمواد فعالة لـ القطب السالب بسبب تفاعلات الأكسدة والاختزال المستقرة والقابلة للانعكاس في الظروف الحمضية.

بالإضافة إلى ذلك ، استخدموا بوليمر موصل البروتون يسمى Nafion باعتباره المنحل بالكهرباء الصلبة ، وبالتالي استبدال الإلكتروليتات السائلة التقليدية.

يقول مياتاكي: “على حد علمي، لم يتم تطوير أي بطاريات هوائية تعتمد على أقطاب كهربائية عضوية وإلكتروليت بوليمر صلب”.

بعد أن تم وضع SSAB في مكانه ، قام الباحثون بتقييم أداء الشحن والتفريغ بشكل تجريبي ، وخصائص المعدل ، وقابلية الدوران.

وجدوا أنه على عكس بطاريات الهواء النموذجية التي تستخدم قطبًا سالبًا معدنيًا وإلكتروليت سائل عضويًا ، فإن SSAB لم يتدهور في وجود الماء والأكسجين.

علاوة على ذلك ، فإن استبدال جزيء الأكسدة والاختزال DHBQ بنظيره البوليمري PDBM شكل قطبًا سالبًا أفضل. في حين أن سعة التفريغ لكل جرام في SSAB-DHBQ كانت 29.7 مللي أمبير ، كانت القيمة المقابلة لـ SSAB-PDBM هي 176.1 مللي أمبير ، بكثافة تيار ثابتة تبلغ 1 مللي أمبير -2 .

وجد الباحثون أيضًا أن كفاءة الكولومبية لـ SSAB-PDBM كانت 84٪ بمعدل 4 درجات مئوية ، والتي انخفضت تدريجياً إلى 66٪ بمعدل 101 درجة مئوية .

في حين أن قدرة تفريغ SSAB-PDBM تقلصت إلى 44٪ بعد 30 دورة، عن طريق زيادة محتوى البوليمر الموصل للبروتونات للقطب السالب ، يمكن للباحثين تحسينه بشكل كبير إلى 78٪. أكدت الصور المجهرية الإلكترونية أن إضافة Nafion حسنت أداء ومتانة القطب القائم على PDBM.

التشغيل الناجح

توضح هذه الدراسة التشغيل الناجح لـ SSAB الذي يشتمل على جزيئات عضوية نشطة الأكسدة والاختزال مثل القطب السالب ، وبوليمر موصل بالبروتون كإلكتروليت صلب ، وقطب موجب من نوع الانتشار مخفض للأكسجين. يأمل الباحثون أن يمهد الطريق لمزيد من التقدم.

ويخلص مياتاكي إلى أن “هذه التكنولوجيا يمكن أن تطيل عمر بطارية الأدوات الإلكترونية الصغيرة مثل الهواتف الذكية ، وتساهم في النهاية في تحقيق مجتمع خالٍ من الكربون”.