تجربة فيزيائية عمرها 270 عامًا لتحسين البطاريات منخفضة التكلفة.. بديل صديق للبيئة
تقنية مبتكرة لتحويل الطاقة الشمسية والرياح إلى تخزين طويل الأمد
منذ نحو 270 عامًا، لاحظ الدكتور يوهان جوتلوب لايدنفروست من ألمانيا سلوكًا غريبًا لقطرات الماء على الأسطح المعدنية الساخنة. فقد وصف في مخطوطته “رسالة حول بعض خصائص الماء العادي” كيف تنزلق قطرات الماء على الأسطح المعدنية الساخنة وكأن الاحتكاك قد اختفى.
يحدث هذا عندما يشكل الماء أو أي سائل وسادة من البخار على الأسطح فوق درجة الغليان، مما يسمح له بالانزلاق دون أن يلمسه السطح.
هذا ما يعرف بـ تأثير لايدنفروست، وهو السبب في أن الأواني المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ تصبح غير لاصقة عند تسخينها بدرجات عالية.
لكن كيف يمكن لملاحظة عمرها 270 عامًا أن تؤثر على تصميم أنظمة تخزين الطاقة المستدامة؟
لماذا تعتبر البطاريات القائمة على الصوديوم واعدة؟
مع التحول العالمي نحو الطاقة المتجددة، ارتفع الطلب على بطاريات أفضل.
يقول الدكتور روهيت رانجاناثان جادام، مؤلف مشارك وأستاذ مساعد في IISER بهوبال: “تستخدم بطاريات الليثيوم أيون في كل شيء تقريبًا من الهواتف الذكية إلى السيارات الكهربائية، لكنها نادرة ومكلفة في الاستخراج، لذا هناك حاجة إلى بديل أكثر خضرة وأقل تكلفة.”
يعد الصوديوم بديلاً محتملاً لليثيوم. عنصر متوافر في مياه البحر والملح وحتى في الدم، الصوديوم رخيص وسهل الحصول عليه، مما يجعل بطاريات الصوديوم أيون خيارًا قويًا لتخزين الطاقة على نطاق واسع، خصوصًا للطاقة المتجددة، ومع ذلك، فإن حجم أيونات الصوديوم الكبير يمثل عقبة رئيسية، إذ يبطئ مرور الأيونات ويستهلك القطب الموجب للبطارية.
تصميم مسارات ذرية للأيونات
لكي تعمل بطارية الصوديوم بكفاءة، يجب أن يسمح القطب الموجب للأيونات بالتحرك بسرعة ودون الإضرار بالبنية.
استخدم الفريق مادة Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇)، وهي خليط فوسفات-بيروفوسفات قائم على الحديد ويشكل بنية ثلاثية الأبعاد مستقرة. وأضاف الباحثون نسبة صغيرة من الإنديوم لتحسين التوصيل الإلكتروني وتوسيع المسافات الذرية، ما سمح للأيونات بالانزلاق بسهولة أكبر.
ابتكار تصنيع مستوحى من تأثير لايدنفروست
بالإضافة إلى تعديل تركيب القطب، استخدم الفريق تأثير لايدنفروست في التصنيع. قاموا برش الخليط الكيميائي على سطح معدني ساخن بدرجة كافية لإحداث تأثير لايدنفروست.
عند ملامسة القطرات للسطح، تتبخر بسرعة، وتتحد لتصبح جسيمات مسامية تُخبز لاحقًا إلى مسحوق، هذه الطريقة الخضراء السريعة توفر حبيبات إسفنجية تمتص الإلكتروليت لتسهيل حركة أيونات الصوديوم.
الأداء والقابلية للتوسع
أظهرت القياسات والمحاكاة الحاسوبية أن تعديل الإنديوم يعيد ترتيب البنية الذرية، ويوسع مسارات الأيونات، ويخفض حاجز الطاقة، ويحسن التوصيل، ويحافظ على استقرار البنية البلورية على آلاف الدورات.
قال الدكتور راجافان رانجاناثان: “أظهر القطب المحسن كثافة طاقة عالية ~359 واط ساعي/كج، وأداء مستقر على أكثر من 10,000 دورة شحن وتفريغ، مقارنة ببطاريات الهواتف والحواسيب التي تدوم مئات الدورات فقط.”
الأهمية الوطنية والعالمية
للهند، التي تهدف إلى تحقيق 500 غيغاواط من الطاقة المتجددة بحلول 2030، يمكن للبطاريات الصوديوم أيون المصممة بهذه الطريقة أن توفر تخزينًا منخفض التكلفة للشبكة للاستفادة من الطاقة الشمسية والرياح دون انقطاعات.
وأكد الفريق، أن التعديلات الذرية والاستراتيجية، مع طريقة تصنيع قابلة للتوسع، يمكنها إطلاق أداء غير مسبوق لبطاريات الصوديوم أيون.
تتوافق الدراسة مع أهداف التنمية المستدامة للأمم المتحدة 7 و11، من خلال تقليل الاعتماد على الليثيوم، وتمكين سلاسل توريد أكثر عدالة، وتخزين الطاقة الخضراء بأسعار مناسبة.
كما أشار الباحثون إلى أن دمج الخبرات التجريبية والحاسوبية بين المؤسسات والقارات يثبت أن مفاهيم قديمة مثل تأثير لايدنفروست يمكن أن تلهم ابتكارات مستدامة حديثة.
