نجح باحثون ألمان في تطوير تقنية جديدة من شأنها إطالة عمر بطاريات الزنك أيون، التي تُسهم إلى حد كبير في تخزين الكهرباء المولّدة من مصادر الطاقة المتجددة.

وووفقًا لتقرير اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)، طوّر باحثون لدى جامعة ميونخ التقنية في ألمانيا نهجًا جديدًا يعتمد على بوليمر عضوي مسامي في إطالة عمر بطاريات الزنك؛ إذ يُمكن للبطاريات التي تستعمل هذا البوليمر عند القطب الموجب أن تدوم لمئات الآلاف من الدورات، بدلًا من بضعة آلاف من الدورات.

ورغم سعي الكثير من الدول إلى تعزيز إنتاجها من الطاقة النظيفة على مدى السنوات القليلة المقبلة، وتشغيل محطات الطاقة الشمسية ومحطات طاقة الرياح على نطاق غير مسبوق؛ فإن الطبيعة المتقطعة لمحطات إنتاج الكهرباء من المصادر المتجددة تتطلّب حلًا لتخزين الكهرباء على نطاق واسع، حتى تكون فعّالة.

وعلى الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون أفضل حل لتخزين الطاقة حاليًا؛ فإن نشرها على نطاق واسع لتنفيذ تحول الطاقة يتطلّب كميات هائلة من الليثيوم؛ ما يجعلها باهظة الثمن وغير مستدامة على المدى الطويل؛ ما دفع الباحثين إلى العمل على إيجاد بديل لليثيوم فعّال وغير مكلف وقابل للتطوير في البطاريات، وخلصوا إلى أنه بإمكان الزنك أداء هذا الدور.

تطوير بطاريات الزنك أيون

تعمل بطاريات الزنك أيون باستعمال آلية بطاريات الليثيوم أيون نفسها، ويعمل المعدن بصفته قطبًا موجبًا (أنود)، وتعمل مادة الزنك المتداخلة بصفتها قطبًا سالبًا (كاثود)، وتتمتع البطارية بكثافة طاقة عالية وليست عرضة للحرائق مثل نظيرتها من أيون الليثيوم، بحسب ما نشره موقع إنتريستينغ إنجينيرينغ (interestingengineering) المعني بأخبار التقنيات الحديثة والعلوم والهندسة والابتكار.

(الكاثود هو قطب كهربائي يخرج منه التيار، أما الأنود فهو قطب كهربائي يدخل منه التيار)

في المقابل؛ فإن وفرة الزنك في الطبيعة تجعل بطاريات الزنك أيون مستدامة وفعالة من حيث التكلفة، في حين أن قدراتها على الشحن والتفريغ السريع تجعلها مثالية للاستعمال التجاري.

وتتمتع بطاريات الزنك بعمر أطول من بطاريات الليثيوم أيون، رغم أن مشكلات "شجيرات الزنك" والتفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها قد أوقفت تبنيها على نطاق واسع، بحسب ما اطّلعت عليه منصة الطاقة المتخصصة نقلًا عن موقع إنتريستينغ إنجينيرينغ.

لذلك، يعالج استعمال بوليمر عضوي مسامي في أنود بطاريات الزنك أيون هذه المشكلات مع تحسين عمرها بعدة أوامر من حيث الحجم.

آلية عمل البوليمر

نشر الباحثون لدى جامعة ميونخ التقنية إطارًا عضويًا بلوريًا مساميًا ثنائي الأبعاد مفلورًا تساهميًا، يُشار إليه باسم (تي بي بي دي-2 إف) (TpBD-2F) على أنود بطارية الزنك أيون، الذي يعمل بصفته طبقةً واقيةً.

بدورها، تخلق المادة قنوات نانوية مفلورة أحادية البعد يمكن لأيونات الزنك أن تتدفق من خلالها بسهولة مع صد جزيئات الماء؛ ما يمنع تكوين هياكل تشبه الإبرة في البطارية، يُشار إليها عادةً بكثافات الزنك، في حين يوقف التفاعلات التي تؤدي إلى إنتاج الهيدروجين، حسب موقع إنتريستينغ إنجينيرينغ.

وقال الباحثون لدى جامعة ميونخ التقنية، في ورقة بحثية نُشرت خلال وقت سابق من هذا الشهر، إن الطبقة الرقيقة الواقية أتاحت الطلاء/التجريد المستقر في الخلايا المتماثلة لأكثر من 1200 ساعة بمقدار 2 مللي أمبير/سنتيمتر مربع.

وأشارت ورقة البحث إلى أن خلايا الوقود المجمعة باستعمال الطبقة الواقية أظهرت عمرًا تشغيليًا يزيد على 100 ألف دورة عند كثافة تيار تبلغ 5 أمبير لكل غرام، وفق ما طالعته منصة الطاقة المتخصصة.

وقال أستاذ الكيمياء اللاعضوية والعضوية المعدنية بجامعة ميونخ التقنية رولاند فيشر: "إنها نتيجة بحثية مذهلة.. لقد أظهرنا أن النهج الكيميائي الذي طُوِّر قابل للضبط والتحكم، وبصفتنا باحثين أساسيين؛ فإننا مهتمون في المقام الأول بالمبادئ العلمية الجديدة، وهنا اكتشفنا أحدها".

وأردف أستاذ الكيمياء اللاعضوية والعضوية المعدنية بجامعة ميونخ التقنية، قائلًا: "الآن، الأمر متروك للمهندسين لتبني الفكرة وتطوير عمليات الإنتاج المناسبة".

وطوّر فريق البحث خلية صغيرة؛ جزءًا من عرض النموذج الأولي للتكنولوجيا، وأعربوا عن ثقتهم بأنه يمكن توسيع نطاقها لتلبية التطبيقات الأكبر.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..