منافس جديد لبطاريات الليثيوم يمتلك القدرة على إعادة الشحن في غضون دقيقة واحدة، ويعمل بكفاءة عالية حتى بعد إعادة الشحن لآلاف المرات، هذه البطاريات الجديدة مصنوعة من الألمنيوم ما يجعلها أرخص وآمن من نظيراتها المصنوعة من الليثيوم.
يقول الفريق الأمريكي الذي اخترع هذه البطاريات بأن هذه التكنولوجيا ستصل إلى المنازل، وستساعد على خزن الطاقة المتجددة لشبكات الطاقة وحتى المركبات التي تعمل على البطاريات.
تعمل بطاريات الألمنيوم بنفس المبدأ الذي تعمل به بطاريات الليثيوم، إذ تتأكسد ذرات الفلز في قطب الأنود عند تفريغ الشحن محررة الإلكترونات في الدائرة الخارجية، وعند إعادة الشحن فإن الإلكترونات تعود إلى قطب الأنود من جديد.
تقدم بطاريات الألمنيوم حلولاً كبيرة لمشاكل بطاريات الليثيوم، فالألمنيوم أكثر المعادن وفرة على سطح القشرة الأرضية، وهو أرخص ثمناً، ونظراً لقابليته الضعيفة على التفاعل فإن خطر اشتعال البطارية أو انفجارها أمر مستبعد، بالإضافة إلى أن الألمنيوم المتأين يحرر ثلاثة إلكترونات مقارنة بالليثيوم المتأين والذي يحرر الكتروناً واحداً فقط، وهذا يجعل البطارية أكثر استيعاباً للشحن.
ولكن بطاريات الألمنيوم كانت تعاني من عدد من المشاكل، منها أن فولتية التفريغ غالباً ما تكون منخفضة بحدود 0.55 فولت وقد تعطل العديد من أقطاب الكاثود التي تم تجربتها مع الألمنيوم خلال دورات الشحن المتكررة، والذي سبب في خفض عمر هذا النوع من البطاريات إلى 85% أو أقل خلال 100 دورة.
أما اليوم، فقد كشف هونكجي داي Hongjie Dai وزملائه في جامعة ستانفورد في كاليفورنيا النقاب عن نموذج أولي لبطارية ذات كاثود مصنوع من الكارفيت فيه حل لهذه المشاكل.
لقد كان اكتشاف الخواص الفريدة للكرافيت عن طريق الصدفة، حيث كان الفريق يدرس جهد أفلام مصنوعة من أكسيد الفلز ككاثود، حيث استخدم الباحثون الكرافيت لزيادة التوصيلية، وعندما أظهرت الأفلام المتراكبة خواص مشابهة للبطاريات، قرر الفريق دراسة الموضوع بشكل أكبر.
استخدم فريق البحث كلوريد الألمنيوم الفلزي لتكوين Al2Cl7–، وعند دراسة كيمياء الكرافيت ككاثود اكتشف العلماء أن أنيون AlCl4– يمكن إقحامه واسترداده من بين طبقات الكرافيت.
مشاكل طبيعية
تعاني أقطاب الكرافيت الكاثودية الطبيعية من مشكلتين: الأولى: انخفاض سرعة الشحن والتفريغ القصوى بسبب انتشار أيونات AlCl4– الكبيرة بين السطوح الذرية. والأسوأ من ذلك، أن انتشار هذه الأيونات أدى إلى توسع الكرافيت خمسين مرة، ممزقاً إياه إلى رقائق ذرية طليقة.
جاء حل هاتين المشكلتين عن طريق رغوة الكرافيت التي أنتجها الفريق حيث يتم ترسيب الكاربون على النكيل ثم إذابة الفلز في حامض لإنتاج بنية كاربونية ذات مساحات ذرية كبيرة تسمح لأيونات AlCl4– بالدخول والخروج بسرعة عالية دون حدوث أضرار تذكر.
وباستخدام رغوة الكاربون الكاثودية وأقطاب جافة جداً، تمكن الباحثون من إنتاج نموذج أولي لبطارية ذات فولتية تفريغ تقدر بـ 2 فولت تقريباً، وذات سعة طاقة مشابهة لبطاريات الرصاص والنيكل.
لم تفقد هذه البطارية من قدرتها الاستيعابية إلا القليل بعد 7000 دورة، ما جعلها تتفوق بشكل كبير على بطاريات الليثيوم، والتي تدوم لما يقارب 1000 دورة. أما أهم ما يميز بطارية الألمنيوم الجديدة هو قدرتها على إعادة الشحن وبشكل آمن خلال 60 ثانية فقط، أي أنها أسرع بـ 100 مرة من أقصى سرعة شحن لبطاريات الليثيوم، كذلك يمكن طوي وحني البطارية بأمان، وقد قام الباحثون بإحداث ثقب خلال البطارية أثناء عملها ولم يسبب ذلك أي ضرر جراء التماس الكهربائي.
أما تجارياً، فقد بين داي بأن الشركات أبدت اهتماماً بهذا النوع من البطاريات، ويعتقد بأنها ستكون بديلاً واعداً لبطاريات النيكل في الأجهزة المنزلية، وربما في تخزين الطاقة الكهربائية في الشبكة.
في الوقت الحاضر فإن كثافة طاقة البطارية محدودة بأيون AlCl4– الكبير، ويأمل داي بأنّ هذا العمل سيفتح الأبواب للمزيد من الأبحاث في هذا المجال.
أبدى دون سادوي Don Sadoway من مؤسسة ماساشوسيتس للتكنولوجيا في الولايات المتحدة اهتمامه بهذا الموضوع قائلاً: “إنّ هذه العمل خطوة أولى لإظهار أن إعادة تدوير الألمنيوم ممكنة” ويقول أيضاً: “إنّ العائق الذي يمنع دخول بطاريات الليثيوم إلى مجال السيارات ليس كثافة الطاقة 150 وات/ساعة/كغ وهي كافية أصلاً، العائق الحقيقي هو التكلفة، فبطاريات الليثيوم مكلفة للغاية، وستبقى كذلك، والكثير من الناس في عالم صناعة البطاريات يعملون على المشكلة الخاطئة، أما هؤلاء فإنه يستحقون التقدير لأنهم عينوا المشكلة الحقيقية”.
المصدر:
Tim Wogan. (April 7, 2015). Super-fast charging aluminium batteries ready to take on lithium. Chemistry World. Retrieved April 18, 2015, from http://www.rsc.org/chemistryworld/2015/04/super-fast-charging-aluminium-batteries-aluminum-ready-take-lithium
