سولارابيك، الولايات المتحدة الأمريكية- 16 أبريل 2025: توصل باحثون في جامعة ولاية واشنطن الأمريكية إلى استخدام غير متوقع لبروتين الذرة بهدف تحسين أداء بطاريات الليثيوم-كبريت بشكل كبير، ما يفتح الباب أمام حل مشكلة قصر عمرها الافتراضي التي طالما أعاقت انتشارها الواسع. ويَعِدُ هذا الإنجاز بتوسيع استخدام هذه البطاريات المتقدمة، المعروفة بخفة وزنها وقدرتها التخزينية العالية للطاقة، في قطاعات حيوية ومستقبلية كالسيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة وغيرها من التطبيقات التكنولوجية المتطورة.
حاجز بروتيني يتصدى لتحديات الكبريت والليثيوم
يكمن الابتكار الذي كشف عنه الفريق البحثي في تطوير حاجز واقٍ فريد، مصنوع من بروتين الذرة بعد مزجه بكمية صغيرة من مادة بلاستيكية مرنة شائعة الاستخدام، ليعمل كفاصل فعال داخل بنية البطارية. وقد أظهرت التجارب التي أُجريت على بطاريات ليثيوم-كبريت صغيرة بحجم الزر أن هذا الفاصل المبتكر ساعدها بشكل لافت على الاحتفاظ بشحنتها الكهربائية لأكثر من 500 دورة شحن وتفريغ متتالية، وهو ما يمثل تحسنًا ملحوظًا مقارنةً بالبطاريات التقليدية من النوع نفسه التي تفتقر لهذا الحاجز. وصرحت كاتي زونغ، المؤلفة المراسلة للدراسة، بأن هذا العمل البحثي “أظهر نهجًا بسيطًا وفعالًا لإعداد فاصل وظيفي يهدف إلى تعزيز أداء البطارية”. وتواجه بطاريات الليثيوم-كبريت، رغم تفوقها الواضح على بطاريات الليثيوم-أيون الشائعة من حيث الوزن النوعي وسعة تخزين الطاقة العالية، بالإضافة إلى استخدامها لمادة الكبريت الرخيصة والمتوفرة بكثرة وغير السامة في قطب المهبط بدلاً من المعادن الثقيلة السامة كالكوبالت والنيكل المستخدمة في بطاريات الليثيوم-أيون، تحديين فنيين رئيسيين يعيقان استخدامها التجاري: الأول هو ما يُعرف بـ “تأثير المكوك” (shuttle effect) حيث يتسرب جزء من الكبريت النشط وينتقل إلى قطب الليثيوم مسببًا تدهورًا سريعًا لأداء البطارية، والثاني هو نمو “شجيرات” أو نتوءات وتشعبات حادة من معدن الليثيوم (dendrites) على قطب الليثيوم، والتي قد تخترق الفاصل وتتسبب في حدوث دارات قصر كهربائية خطيرة.
الأحماض الأمينية والاستدامة: مفاتيح الأداء المستقبلي
يعتمد هذا الحل الواعد على الخصائص الكيميائية والفيزيائية الكامنة في بروتين الذرة نفسه؛ فاللبنات الأساسية المكونة لهذا البروتين، وهي الأحماض الأمينية، تتفاعل بفاعلية مع مكونات البطارية الأخرى، مما يساهم في تعزيز حركة وانتقال أيونات الليثيوم عبر الفاصل، وفي الوقت نفسه تعمل على تثبيط “تأثير المكوك” الضار. وقد أشار جين ليو، وهو مؤلف مراسل آخر شارك في الدراسة، إلى أن إضافة المادة البلاستيكية المرنة ساعدت في التغلب على ميل جزيئات البروتين الطبيعي للانطواء على نفسها، عبر تسويتها وجعلها مسطحة، الأمر الذي حسّن من أدائها الميكانيكي واستقرارها داخل بيئة البطارية. وأضاف ليو مبررًا اختيارهم لهذه المادة الطبيعية: “سيكون بروتين الذرة مادة جيدة للبطارية لأنه متوفر بكثرة، وطبيعي المصدر، ومستدام بيئيًا”. وأكد ليو على أهمية الخطوات البحثية القادمة لفهم كيفية “فتح بنية البروتين بشكل دقيق” بهدف استغلال تفاعلاته الكيميائية بشكل أمثل لتحقيق أفضل أداء ممكن.
أثبتت الدراسات العددية الحاسوبية والتجارب المخبرية التي أجراها الفريق صحة النتائج الأولية المشجعة، ويعكف الباحثون حاليًا على إجراء المزيد من الأبحاث المعمقة لفهم أعمق لآلية عمل البروتين داخل البطارية، وتحديد دقيق لدور الأحماض الأمينية المختلفة في هذه العملية، واستكشاف سبل تحسين وتعديل بنية البروتين لتحقيق أداء أعلى وعمر افتراضي أطول. وتعترف زونغ بتعقيد المهمة قائلة: “البروتين بنية معقدة للغاية. نحتاج إلى إجراء المزيد من دراسات المحاكاة لتحديد أي الأحماض الأمينية في بنية البروتين يمكن أن تعمل بالشكل الأمثل لحل مشكلتي تأثير المكوك ونمو التشعبات الحرجتين“.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر: wsu
image credit: canva
