يشهد قطاع تخزين الكهرباء تقدمًا كبيرًا من شأنه أن يُحدث ثورة هائلة، في ظل السعي المستمر للحصول على طاقة نظيفة ومستدامة.
وعلى الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون هي المهيمنة، فإنها تأتي مع مخاوف كبيرة تتعلق بالسلامة، خاصةً الإلكتروليتات (مادة تحتوي على أيونات حرة تشكّل وسيطًا ناقلًا للكهرباء) القابلة للاشتعال.
حسب المستجدات التقنية التي تتابعها يوميًا منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، فقد طوّر الباحثون قطبًا كهربائيًا جديدًا يقمع بشكل فعّال ظاهرة التفريغ الذاتي الضارة في بطاريات الزنك والبروم (FLZBBs).
إذ تقدّم بطاريات الزنك والبروم بديلًا واعدًا بخصائصها غير القابلة للاشتعال، إلّا أن التفريغ الذاتي يعرقل اعتمادها على نطاق واسع.
حل ثوري لتخزين الكهرباء
طوّر فريق من الباحثين، في معهد غوانغجو للعلوم والتكنولوجيا (GIST) في كوريا الجنوبية، قطبًا كهربائيًا ثوريًا يعالج ظاهرة التفريغ الذاتي في بطاريات الزنك والبروم بشكل مباشر، ما يمهّد الطريق لمستقبل مدعوم ببطاريات الزنك والبروم الآمنة والفعّالة.
ووفق المعلومات التي رصدتها منصة الطاقة المتخصصة، تتميز بطاريات الزنك والبروم بالعديد من المزايا مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون؛ إذ تُعدّ أكثر أمانًا وفاعلية من حيث التكلفة وأبسط في التصميم.
كما أنها تعمل باستعمال قطب موجب، وقطب سالب، وفاصل لإبعادها عن بعضها بعضًا، وإلكتروليت يُشبه الهلام، بحسب ما نقلته منصة “إنترستينغ إنجينيرينغ” (Interesting Engineering).
ومع ذلك، خلال التشغيل، يمكن لأيونات البروم المتولدة عند القطب الموجب أن تنتقل إلى القطب السالب، ما يتسبب في التفريغ الذاتي وإعاقة الأداء، وقد كان هذا عقبة رئيسة أمام بطاريات الزنك والبروم.
ولذلك، طوّر البروفيسور تشانهو باك وفريقه، من بينهم المؤلف الأول للدراسة يونغين تشو، قطبًا كهربائيًا جديدًا يضع حدًا فعّالًا للتفريغ الذاتي، يتمثل في قطب كهربائي من الغرافيت السميك مطلي بالكربون ومغطى بالنيتروجين.
كيف يعمل القطب الكهربائي؟
يُصنّع القطب الكهربائي من الغرافيت السميك المطلي بالكربون والمغطى بالنيتروجين، باستعمال طريقة سهلة وفعّالة من حيث التكلفة.
ووفق ما جاء في الدراسة التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة، غطى الباحثون قطبًا كهربائيًا قياسيًا من الغرافيت بمواد أولية، ثم انتقلوا إلى مرحلة التجفيف والمعالجة.
ويكمن السر في المسام المتوسطة (الثقوب الصغيرة) التي أنشأها طلاء الجرافيت السميك بالكربون والمغطى بالنيتروجين.
إذ تعمل هذه المسام المتوسطة، جنبًا إلى جنب مع مواقع النيتروجين الموضوعة بشكل إستراتيجي، مثل أقفاص صغيرة، حيث تحبس أيونات البروم ومجمعاتها داخل القطب الموجب؛ ما يمنعها بشكل فعّال من الوصول إلى القطب السالب، ويوقف التفريغ الذاتي في مساراتها.
وأوضح البروفيسور تشانهو باك فوائد القطب الكهربائي: “هذا الطلاء جعل أقطاب الغرافيت الأصلية الكارهة للماء في الأصل مُحبة للماء للغاية، ما يحسّن الاتصال البيني مع الإلكتروليت، ويعزز الأداء الكهروكيميائي”.
وتابع: “بالإضافة إلى ذلك، فقد سمح بدمج أنواع وفيرة من الأكسجين والنيتروجين، ما أدى إلى تحسين سرعات تفاعل البروم، وزيادة تعزيز الأداء”.
أداء غير مسبوق
أظهرت بطاريات الزنك والبروم المجهزة بالقطب الكهربائي من الغرافيت السميك المطلي بالكربون والمغطى بالنيتروجين كفاءة استثنائية، مع كفاءة كولوم (نسبة سعة التفريغ بعد الشحن الكامل وسعة الشحن للدورة نفسها) تبلغ 96%، وكفاءة طاقة تبلغ 76% عند كثافة تيار محددة.
كما أنها توفر سعة مساحة عالية (كمية الشحن المخزنة لكل وحدة مساحة) تبلغ 2 مللي أمبير سم-2.
وأظهرت هذه البطاريات متانة ملحوظة، إذ استمرت لأكثر من 10 آلاف دورة شحن وتفريغ، وهو دليل على استقرارها على المدى الطويل.
بالإضافة إلى ذلك، فإن استعمال القطب الكهربائي من الغرافيت السميك يمكن أن يؤدي إلى خفض تكاليف البطارية.
في البيان الصحفي، قال البروفيسور باك: “إن تطوير القطب الموجب لبطارية الزنك والبروم، الذي يحافظ على التشغيل طويل الأمد لأكثر من 10 آلاف دورة بكفاءة عالية، سيسرّع تطوير أنظمة تخزين الكهرباء المستقرة، والتحول إلى الطاقة الصديقة للبيئة على المدى الطويل”.
وتابع: “علاوة على ذلك، يمكن أيضًا استعمال القطب الكهربائي الموجب من الغرافيت السميك المطلي بالكربون والمغطى بالنيتروجين للبطاريات المائية الأخرى”.
موضوعات متعلقة..
اقرأ أيضًا..