عالم مصري يشارك في ابتكار طريقة لحل مشاكل تخزين الطاقة.. شحن وتفريغ البطارية في ثواني معدودة

لقد شكلت المواد البلاستيكية عالمنا الحديث وغيرت طريقة حياتنا، على مدى عقود من الزمن، كانت تستخدم في المقام الأول في الإلكترونيات لخصائصها العازلة الممتازة.

ولكن في سبعينيات القرن العشرين، اكتشف العلماء بالصدفة أن بعض المواد البلاستيكية يمكنها أيضًا توصيل الكهرباء.

وقد أحدث هذا الاكتشاف ثورة في هذا المجال وفتح الباب أمام التطبيقات في الإلكترونيات وتخزين الطاقة.

يُطلق على أحد أكثر المواد البلاستيكية الموصلة للكهرباء استخدامًا اليوم اسم PEDOT، وهو اختصار لـ poly (3,4- ethylenedioxythiophene) PEDOT ، عبارة عن غشاء مرن وشفاف يتم وضعه غالبًا على أسطح الأفلام الفوتوغرافية والمكونات الإلكترونية لحمايتها من الكهرباء الساكنة.

كما يوجد أيضًا في شاشات اللمس والخلايا الشمسية العضوية والأجهزة الكهروميكية، مثل النوافذ الذكية التي تتحول من الضوء إلى الظلام بضغطة زر.

ومع ذلك، كانت إمكانات PEDOT لتخزين الطاقة محدودة لأن مواد PEDOT المتاحة تجارياً تفتقر إلى التوصيل الكهربائي ومساحة السطح اللازمة لتخزين كميات كبيرة من الطاقة.

طريقة مبتكرة لتنمية الألياف النانوية بدقة

يعمل علماء الكيمياء في جامعة كاليفورنيا بلوس أنجلوس على معالجة هذه التحديات باستخدام طريقة مبتكرة للتحكم في مورفولوجيا مادة PEDOT لتنمية الألياف النانوية بدقة.

تتميز هذه الألياف النانوية بموصلية استثنائية ومساحة سطح متوسعة، وكلاهما أمر بالغ الأهمية لتعزيز قدرات تخزين الطاقة لمادة PEDOT.

يوضح هذا النهج، الموصوف في ورقة بحثية نُشرت في Advanced Functional Materials ، إمكانات ألياف PEDOT النانوية في تطبيقات المكثفات الفائقة.

وعلى النقيض من البطاريات التي تخزن الطاقة من خلال تفاعلات كيميائية بطيئة، تخزن المكثفات الفائقة الطاقة وتطلقها من خلال تجميع الشحنة الكهربائية على سطحها.

وهذا يسمح لها بالشحن والتفريغ بسرعة كبيرة، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب دفعات سريعة من الطاقة، مثل أنظمة الكبح المتجددة في المركبات الهجينة والكهربائية وفلاشات الكاميرات.

وبالتالي، فإن المكثفات الفائقة الأفضل هي أحد الطرق لتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.

وقد نجح علماء الكيمياء في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس في إنتاج المادة الجديدة من خلال عملية نمو فريدة من نوعها في الطور البخاري لإنشاء ألياف نانوية عمودية من مادة PEDOT، وتعمل هذه الألياف النانوية، التي تشبه العشب الكثيف الذي ينمو إلى الأعلى، على زيادة مساحة سطح المادة بشكل كبير، مما يسمح لها بتخزين المزيد من الطاقة.

ومن خلال إضافة قطرة من السائل تحتوي على رقائق نانوية من أكسيد الجرافين وكلوريد الحديديك على ورقة من الجرافيت، عرّض الباحثون هذه العينة لبخار الجزيئات الأولية التي شكلت في النهاية بوليمر PEDOT.

بدلاً من التطور إلى فيلم مسطح ورقيق للغاية، نما البوليمر إلى بنية سميكة تشبه الفراء، مما أدى إلى زيادة مساحة السطح بشكل كبير مقارنة بمواد PEDOT التقليدية.

تخزن طاقة أكبر بكثير

قال المؤلف المشارك وعالم المواد في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس العالم المصري ماهر القاضي: “إنشاء مكثفات فائقة من مواد بلاستيكية يمكنها تخزين عشرة أضعاف كمية الشحنة مقارنة بالمواد التقليدية ويمكن شحنها وتفريغها في ثواني، ويمكنها أن تستمر في العمل لما يقارب 100000 دورة شحن، وبذلك يمكن أن توفر بديلا للبطاريات التقليدية في بعض التطبيقات الصناعية”.

استخدم المؤلفون هياكل PEDOT هذه لتصنيع مكثفات فائقة ذات سعة تخزين شحن ممتازة واستقرار استثنائي للدورة، حيث وصلت إلى ما يقرب من 100000 دورة.

تمهيد الطريق لأنظمة تخزين طاقة أكثر كفاءة

يمكن أن يمهد هذا التقدم الطريق لأنظمة تخزين طاقة أكثر كفاءة، ومعالجة التحديات العالمية في مجال الطاقة المتجددة والاستدامة بشكل مباشر.

“يتكون البوليمر في الأساس من سلسلة طويلة من الجزيئات تتكون من كتل أقصر تسمى مونومرات”، كما يقول القاضي، “فكر في الأمر على أنه عقد مصنوع من حبات فردية مترابطة معًا، نقوم بتسخين الشكل السائل للمونومرات داخل حجرة، ومع ارتفاع الأبخرة، تتفاعل كيميائيًا عندما تتلامس مع سطح رقائق الجرافين النانوية.

يتسبب هذا التفاعل في ربط المونومرات وتكوين ألياف نانوية عمودية، تتمتع هذه الألياف النانوية بمساحة سطح أعلى بكثير، مما يعني أنها يمكن أن تخزن المزيد من الطاقة”، لقد أظهرت مادة PEDOT الجديدة نتائج مبهرة، حيث تجاوزت التوقعات في العديد من المجالات الحرجة، حيث أن موصليتها أعلى بمقدار 100 مرة من موصلية منتجات PEDOT التجارية، مما يجعلها أكثر كفاءة لتخزين الشحنات.

والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن مساحة السطح النشطة كهروكيميائيًا لهذه الألياف النانوية PEDOT أكبر بأربع مرات من مساحة PEDOT التقليدية.

تخزين المزيد من الطاقة في نفس حجم المادة

هذه المساحة السطحية المتزايدة أمر بالغ الأهمية لأنها تسمح بتخزين المزيد من الطاقة في نفس حجم المادة، مما يعزز بشكل كبير من أداء المكثفات الفائقة.

بفضل العملية الجديدة، التي تنتج طبقة سميكة من الألياف النانوية على ورقة الجرافين، أصبحت هذه المادة الآن تتمتع بواحدة من أعلى قدرات تخزين الشحنات لـ PEDOT المبلغ عنها حتى الآن – أكثر من 4600 ميلي فاراد لكل سنتيمتر مربع، وهو ما يقرب من مرتبة واحدة أعلى من PEDOT التقليدية.

علاوة على ذلك، تتميز هذه المادة بمتانتها المذهلة، إذ تدوم لأكثر من 70 ألف دورة شحن، وهو ما يفوق بكثير المواد التقليدية، وتفتح هذه التطورات الباب أمام المكثفات الفائقة التي لا تكون أسرع وأكثر كفاءة فحسب، بل وتدوم لفترة أطول أيضًا، وهي صفات أساسية لصناعة الطاقة المتجددة.

قال المؤلف المشارك ريتشارد كانر، أستاذ الكيمياء وعلوم المواد والهندسة المتميز في جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس، والذي كان فريقه البحثي في طليعة إجراء أبحاث البوليمر لأكثر من 37 عامًا: “يُظهر الأداء الاستثنائي ومتانة أقطابنا الكهربائية إمكانات كبيرة لاستخدام الجرافين PEDOT في المكثفات الفائقة التي يمكن أن تساعد مجتمعنا على تلبية احتياجاتنا من الطاقة”.

وباعتباره طالب دكتوراه، ساهم كانر في اكتشاف البلاستيك الموصل للكهرباء بواسطة مستشاريه آلان ماكديارميد وآلان هيجر، اللذين حصلا فيما بعد على جائزة نوبل عن عملهما.

ومن بين المؤلفين الآخرين الذين شاركوا في الدراسة موسيباو فرانسيس جيموه، وجراي كارسون، وماكنزي أندرسون، وهم جميعًا من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس.