يتجه العالم اليوم نحو البحث الكثيف عن مصادر طاقة دائمة جديدة وغزيرة ومستدامة في الوقت نفسه، ذلك أن الصناعات الجديدة تتطلب تخزين طاقة لا حدود له تقريباً وإمدادات من الطاقة الكهربائية غير التقليدية الأخرى.
يحاول العلم والبحوث العلمية المستمرة المساعدة في البحث الدائم عن بدائل للطاقة التقليدية. وفي هذا المجال يسعى العلماء اليوم إلى الدمج بين نوعين من وسائل تخزين الطاقة وإمدادها للحصول على منتج مذهل. وقبل البدء بعرض جهود العلماء في بحثهم الجديد تعالوا نتعرف على البطارية والمكثف.
البطارية عبارة عن جهاز إلكتروني مصنوع من خلية واحدة أو أكثر، يحول الطاقة الكيميائية المعبأة داخل موادها النشطة إلى طاقة كهربائية لتوفير شحنة كهربائية ثابتة للطاقة.
يتم إنتاج الإلكترونات من خلال تفاعلات كهروكيميائية تتضمن نقل الإلكترونات عبر دائرة إلكترونية. بعبارات بسيطة، تعد البطارية مصدراً ثابتاً للطاقة التي تزود الكهرباء في شكل تيار مباشر (DC).
المكثف هو أيضاً مكون إلكتروني يخزن الطاقة الكهروستاتيكية في مجال كهربائي. إنّها تشبه إلى حد كبير البطارية، ولكنّها تستخدم لأغراض مختلفة تماماً. بينما تستخدم البطارية التفاعلات الكيميائية لتخزين الطاقة الكهربائية، وتطلق الطاقة ببطء شديد عبر دائرة إلكترونية، فإنّ المكثفات قادرة على إطلاق الطاقة بسرعة كبيرة. يحتوي المكثف على موصلين كهربائيين على الأقل مفصولين بواسطة عازل. عندما يتطور مجال كهربائي عبر العازل، فإنّه يتوقف عن التدفق ويبدأ الشحن الكهربائي في التراكم على الألواح. يمكنك العثور على جميع أنواع المكثفات بدءاً من حبات المكثفات الصغيرة الموجودة في دوائر الرنين إلى مكثفات تصحيح الطاقة العالية المستخدمة في العمليات واسعة النطاق. يتكون المكثف أساساً من لوحتين معدنيتين أو أكثر غير متصلين ببعضهما البعض، ولكن يتم فصلهما كهربائياً بواسطة مادة غير موصلة مثل السيراميك أو البورسلين وغيرها. يحدد العازل بشكل عام نوع المكثف وما الذي يمكن استخدامه بشكل مثالي. إنّ بعض المكثفات مثالية لعمليات التردد العالي، في حين أنّ بعضها مناسب بشكل أفضل لتطبيقات الجهد العالي.
على مدى عقود، اعتبر الباحثون والتقنيون البطاريات والمكثفات جهازين متميزين لتخزين الطاقة حيث إن البطاريات، المعروفة بتخزين المزيد من الطاقة وإطلاقها ببطء؛ في حين أن المكثفات، تفرغ هذه الطاقة بسرعة في دفعات أصغر. لذلك تم تصنيف كل جهاز تخزين طاقة جديد كواحد من هذين الاثنين أو الآخر، أو كعلاقة ما بواحد من الاثنين، اعتماداً على الآلية الكهروكيميائية التي يعتمد عليها. لكن فريقاً دولياً من الباحثين، الذين هم رواد في تطوير ودراسة تكنولوجيا تخزين الطاقة، اقترح الآن أن هذه الآليات موجودة بالفعل على نطاق سلس، ومحاولة تصنيف الجهاز على أنه "أكثر من" أو "أقل من" بطارية أو مكثف يمكن أن يعيق التقدم في هذا المجال.
في ورقة بحثية نُشرت مؤخراً في مجلة Nature Energy، اقترح باحثون من جامعة دريكسيل وجامعة ولاية كارولينا الشمالية وجامعة كاليفورنيا وجامعة فاندربيلت وجامعة سارلاند في ألمانيا وجامعة بول ساباتييه في فرنسا، أن جميع آليات تخزين الطاقة الكهروكيميائية موجودة في مكان ما على سلسلة متصلة بين أولئك العاملين في البطاريات وتلك التي تمكّن المكثفات.
كتبوا: نقترح نهجاً موحداً يتضمن الانتقال من وجهة النظر "الثنائية" لتخزين الشحنة الكهروكيميائية في المساحات المحصورة بالنانو، إما كظاهرة إلكتروستاتيكية بحتة، أو ظاهرة فارادية بحتة. ينبغي بدلاً من ذلك اعتباره انتقالاً مستمراً بين الظاهرتين السابقتين الذي يحدده مدى ذوبان الأيونات والتفاعل الأيوني المضيف.
بعبارات بسيطة، أحد طرفي الطيف هو رابطة كيميائية - آلية الاتصال الأساسية، رابط مادي على المستوى الذري. الطرف الآخر هو عامل جذب إلكتروستاتيكي يحبس الأيونات مؤقتاً داخل وعلى سطح المادة.
الظاهرة السابقة، التي تسمى تفاعل فاراديه، تمنح البطاريات قدرتها الممتازة على تخزين الطاقة، وتسمح لها بإطلاق الشحنة تدريجياً. ولكنه أيضاً السبب الذي يجعل البطاريات تستغرق وقتاً طويلاً للشحن. هذا الأخير، الذي يمثل جاذبية عابرة أكثر من كونه رابطاً حقيقياً، يتيح الاندفاعات السريعة للطاقة التي تشغل وميض الكاميرا وامتصاص الطاقة على المدى القصير من فرامل السيارة الهجينة والكهربائية.
مع كل تطور جديد في تكنولوجيا تخزين الطاقة، سواء كان مزيجاً جديداً من مواد الإلكترود ومحاليل الإلكتروليت، أو إضافات فيزيائية أو كيميائية للحد من نقل الأيونات أو تمكينه، يسعى الباحثون جاهدين لمراقبة آلية التخزين الكهروكيميائية الموجودة في متناول اليد وتوصيفها بدقة.
لكن المؤلفين يقولون إنه في كثير من الحالات، فإن هذه التعريفات الضيقة ليست دقيقة، ولا مفيدة عندما يتعلق الأمر بتكييف الأجهزة مع احتياجات تخزين الطاقة المحددة للغاية للتكنولوجيا الجديدة.
قال الدكتور يوري غوغوتسي، أستاذ باخ في كلية دريكسل للهندسة، والذي كان مؤلفاً مشاركاً للورقة البحثية: ما يحدث بين البطاريات الكلاسيكية والمكثفات الفائقة، كان موضوعاً مثيراً للجدل لفترة طويلة. تمت دراسة ما يسمى بـ "المكثفات الزائفة"وأجهزة تخزين الطاقة الهجينة لمدة 30 عاماً على الأقل، لكن بعض العلماء حاولوا رفض السعة الكاذبة تماماً، بدعوى وجود هاتين الحالتين المتطرفتين فقط، وكل شيء آخر هو تراكب آليتين تعملان بالتوازي.
يشير المؤلفون إلى أنه في العديد من هذه الأجهزة الهجينة، يتم امتصاص الأيونات تقريباً بين طبقات مواد الإلكترود. في حالات أخرى، حيث تم تصميم المواد النانوية المسامية في الأقطاب الكهربائية لزيادة المدخول الكيميائي الكامل، أو الامتصاص، للأيونات، لاحظ الباحثون تصريفات طاقة أسرع بكثير، ويرجع ذلك على الأرجح إلى استمرار مادة الإلكتروليت التي تمنع الأيونات من الإقحام الكامل.
تقع كلتا الحالتين خارج المثالية، لكن خصائصهما تثبت أنهما مزيج قيم عندما يتعلق الأمر بتشغيل التكنولوجيا الجديدة.
قال غوغوتسي: نتوقع أن فهم إزالة الأيونات (تجريد الأيونات من جزيئات المذيبات) ودوره في تحديد آلية تخزين الطاقة، سيسمح لنا بالوصول إلى النقطة التي نجمع فيها بين الطاقة العالية وصرف هذه الطاقة ببطء في جهاز تخزين طاقة واحد. فكروا في شحن البطاريات في غضون بضع دقائق - يمكنك توصيل هاتفك الخلوي وفصله بعد بضع دقائق، ويمكنك استخدامه على الأقل لبضع ساعات. في حالة وجود مواد ثنائية الأبعاد، مثل MXene أو الجرافين، يمكننا صنع بطاريات مرنة للإلكترونيات المرنة والقابلة للارتداء.
يدرك الباحثون أهمية هذين البعدين في المعايير لتخزين الطاقة الكهروكيميائية، سواء من حيث دورها كأعمدة لفهمنا النظري للمجال أو كعناصر تمكين للتكنولوجيا الحديثة. لكنهم يجادلون بأن المضي قدماً يعني العمل في مكان ما في الوسط، مع فهم أن جهاز تخزين الطاقة المناسب يمكن أن يكون أكثر فعالية من بطارية ممتازة أو مكثف فائق.
نقر بأن هناك حالتين مثاليتين - البطاريات والمكثفات الفائقة. وهناك معادلات مشتقة لهذه الحالات. وهناك أجهزة تجارية تنتجها صناعات بمليارات الدولارات. ولكننا الآن نعرف أيضاً كيفية التنبؤ والتصميم والتصنيع... هذا ما قاله فولكر بريسر، وهو مؤلف مشارك من جامعة سارلاند في ألمانيا، وزميل باحث سابق في مجموعة غوغوتسي في دريكسيل، ويضيف: علينا اسنهداف الأجهزة التي لها خصائص بين الحالات المتطرفة التقليدية. نعلم أن الصناعات الجديدة التي تتطلب تخزين طاقة مرناً وشفافاً ومتوافقاً وقابلاً للارتداء وأجهزة مقترنة بحصاد كميات كبيرة من الطاقة وإمدادات الطاقة الكهربائية غير التقليدية الأخرى، ستستفيد بشكل كبير من تخزين الطاقة الجديد المرن. ونحن نتجه نحو اقتصاد تحركه الطاقة الكهربائية، الإنترنت للأشياء وغيرها من التقنيات المتقدمة الجديدة للتطبيقات المستدامة. لذلك، سيكون من المهم للغاية الاعتراف والعمل على توصيف هذه الأجهزة الجديدة على أنها موجودة ضمن نطاق معين، بدلاً من التقصير في مكان ما في أي من الجهتين.
----