سولارابيك – الولايات المتحدة- 4 يوليو 2024: : نجح مختبر تخزين الطاقة وتحويلها التابع للأستاذة ي. شيرلي مينج من قسم الهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو بريتزك، بتطوير أول بطارية صوديوم صلبة خالية من الأنود في العالم.
بفضل هذا البحث، نجح مركز LESC – وهو تعاون بين كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية في جامعة شيكاغو، وقسم الهندسة الكيميائية والنانوية التابع لعائلة “أييسو يوفينج لي” في جامعة كاليفورنيا سان دييجو- في جعل واقع البطاريات الرخيصة والسريعة الشحن وذات السعة العالية للسيارات الكهربائية وتخزين الطاقة أقرب من أي وقت مضى.
وقال جرايسون ديشر، مرشح الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في سان دييجو والمؤلف الأول لورقة بحثية جديدة تصف عمل الفريق : “على الرغم من وجود بطاريات صوديوم وبطاريات الحالة الصلبة وبطاريات خالية من الأنود في السابق، إلا أنه لم يتمكن أحد من الجمع بين هذه الأفكار الثلاث بنجاح حتى الآن”.
تُظهِر الورقة البحثية المنشورة في مجلة Nature Energy بنية جديدة لبطارية الصوديوم ذات دورة مستقرة لعدة مئات من الدورات، من خلال إزالة الأنود واستخدام الصوديوم غير المكلف والوفير بدلاً من الليثيوم، سيكون هذا الشكل الجديد من البطاريات أكثر تكلفة وصديقًا للبيئة في الإنتاج، ومن خلال تصميمها المبتكر للحالة الصلبة، ستكون البطارية آمنة وقوية أيضًا.
يمثل هذا العمل تقدمًا في مجال العلوم وخطوة ضرورية لسد فجوة توسيع نطاق البطاريات اللازمة للتحول الاقتصادي العالمي بعيدًا عن الوقود الأحفوري.
وقال منج “لكي نتمكن من تشغيل الولايات المتحدة لمدة ساعة واحدة، يتعين علينا إنتاج تيراواط ساعة من الطاقة، ولإنجاز مهمتنا المتمثلة في إزالة الكربون من اقتصادنا، نحتاج إلى عدة مئات من تيراواط ساعة من البطاريات، نحن بحاجة إلى المزيد من البطاريات، ونحتاج إليها بسرعة”.
الليثيوم المستخدم عادة في البطاريات ليس شائعًا جدًا، فهو يشكل حوالي 20 جزءًا في المليون من قشرة الأرض، مقارنة بالصوديوم الذي يشكل 20 ألف جزء في المليون.
وقد أدى هذا النقص، إلى جانب الارتفاع الكبير في الطلب على بطاريات الليثيوم أيون لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف والسيارات الكهربائية، إلى ارتفاع الأسعار بشكل كبير، مما جعل البطاريات اللازمة بعيدة المنال.
وتتركز رواسب الليثيوم أيضاً، إذ يضم “مثلث الليثيوم” الذي يضم تشيلي والأرجنتين وبوليفيا أكثر من 75% من إمدادات الليثيوم في العالم، فضلاً عن رواسب أخرى في أستراليا وكارولينا الشمالية ونيفادا، وهذا يفيد بعض الدول على حساب دول أخرى في مجال إزالة الكربون اللازمة لمكافحة تغير المناخ.
وأضاف منج قائلاً: “إن العمل العالمي يتطلب العمل معًا للوصول إلى المواد ذات الأهمية البالغة“.
كما أن استخراج الليثيوم ضار بالبيئة، سواء من الأحماض الصناعية المستخدمة في تفتيت خام التعدين أو من خلال عملية استخراج المحلول الملحي الأكثر شيوعًا والتي تضخ كميات هائلة من الماء إلى السطح لتجفيفه.
الصوديوم، الموجود بكثرة في مياه المحيطات وفي تعدين رماد الصودا، هو مادة صديقة للبيئة بطبيعتها. وقد جعلته أبحاث LESC مادة قوية أيضًا.
ولإنشاء بطارية صوديوم ذات كثافة طاقة مثل بطارية الليثيوم، احتاج الفريق إلى اختراع بنية جديدة لبطارية الصوديوم.
تحتوي البطاريات التقليدية على قطب موجب لتخزين الأيونات أثناء شحن البطارية، وأثناء استخدام البطارية، تتدفق الأيونات من القطب الموجب عبر إلكتروليت إلى مجمع التيار (الكاثود)، مما يمد الأجهزة والسيارات بالطاقة على طول الطريق.
تزيل البطاريات الخالية من الأنود الأنود وتخزن الأيونات على ترسب كهروكيميائي للمعدن القلوي مباشرة على جامع التيار، يتيح هذا النهج زيادة جهد الخلية وخفض تكلفة الخلية وزيادة كثافة الطاقة، لكنه يجلب تحدياته الخاصة.
كما قال ديشر “في أي بطارية خالية من الأنود، يجب أن يكون هناك اتصال جيد بين الإلكتروليت وجامع التيار”، “هذا عادة ما يكون سهلاً للغاية عند استخدام إلكتروليت سائل ، حيث يمكن للسائل أن يتدفق في كل مكان ويبلل كل الأسطح،. لا يمكن للإلكتروليت الصلب القيام بذلك.”
ومع ذلك، فإن هذه الإلكتروليتات السائلة تخلق تراكمًا يسمى الطور البيني للإلكتروليت الصلب بينما تستهلك المواد النشطة بشكل ثابت، مما يقلل من فائدة البطارية بمرور الوقت.
اتخذ الفريق نهجًا جديدًا ومبتكرًا لحل هذه المشكلة، فبدلاً من استخدام إلكتروليت يحيط بجامع التيار، قاموا بإنشاء جامع تيار يحيط بالإلكتروليت.
لقد صنعوا جامعهم الحالي من مسحوق الألومنيوم، وهو مادة صلبة يمكنها التدفق مثل السائل.
أثناء دورة تجميع البطارية، تم تكثيف المسحوق تحت ضغط عالٍ لتشكيل مجمع تيار صلب مع الحفاظ على اتصال يشبه السائل مع الإلكتروليت، مما يتيح الدورة منخفضة التكلفة وعالية الكفاءة التي يمكن أن تدفع هذه التكنولوجيا التي تغير قواعد اللعبة إلى الأمام.
وقال ديشر “عادة ما يُنظر إلى بطاريات الصوديوم ذات الحالة الصلبة على أنها تكنولوجيا بعيدة المدى، ولكننا نأمل أن تتمكن هذه الورقة من تحفيز المزيد من الجهود في مجال الصوديوم من خلال إظهار أنها يمكن أن تعمل بشكل جيد بالفعل، حتى أفضل من النسخة التي تحتوي على الليثيوم في بعض الحالات”.
يتصور منج مستقبلًا للطاقة يتضمن مجموعة متنوعة من خيارات البطاريات النظيفة وغير المكلفة التي تخزن الطاقة المتجددة، والتي يتم تعديلها لتناسب احتياجات المجتمع.
وقد قدم منج وديشير طلبا للحصول على براءة اختراع لعملهما من خلال مكتب الابتكار والتسويق بجامعة كاليفورنيا في سان دييجو.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية..
