تحول البطارية الطاقة الكيميائية مباشرة إلى طاقة كهربائية، وتتكون من خلية كهروكيميائية واحدة أو أكثر، والتي تحتوي على مواد كيميائية يمكن أن تخضع لتفاعلات الأكسدة والاختزال وتنتج تياراً كهربائياً.
يتضمن المبدأ الأساسي لتشغيل البطارية نقل الإلكترونات من القطب الكهربائي الذي يسمى (الأنود) إلى قطب كهربائي آخر يسمى (الكاثود) عبر الإلكتروليت. عندما توصل البطارية بدائرة خارجية، ويحدث تفاعل كيميائي داخل البطارية، مما يتسبب في تدفق الإلكترونات من الأنود إلى الكاثود عبر الدائرة الخارجية، ينتج هذا التدفق من الإلكترونات تياراً كهربائياً يمكن استخدامه لتشغيل الأجهزة المختلفة. أنود البطارية مصنوع من معدن قادر على إطلاق الإلكترونات، ويتكون الكاثود من معدن مختلف قادر على قبول الإلكترونات. يحتوي الإلكتروليت السائل، على أيونات تسهل حركة الإلكترونات بين الأنود والكاثود. أثناء التفريغ يخضع الأنود للأكسدة، ويفقد الإلكترونات ويصبح مشحوناً إيجابياً، وفي نفس الوقت يخضع الكاثود للاختزال، ويكتسب الإلكترونات ويصبح سالب الشحنة، الأمر الذي يخلق فرق جهد كهربائي بين الأنود والكاثود، مما يدفع تدفق الإلكترونات عبر الدائرة الخارجية. بعدها سيتم انتهاء التفاعل الكيميائي داخل البطارية، ولن تتمكن البطارية من إنتاج التيار، وفي هذه المرحلة يجب إعادة شحن البطارية عن طريق عكس اتجاه تدفق التيار، مما يسبب تبديل الأنود والكاثود للأدوار والسماح للبطارية بالخضوع لتفاعل كيميائي يعيد طاقتها مرة أخرى.
نجح مختبر تخزين الطاقة وتحويلها التابع للأستاذة ي. شيرلي مينغ من قسم الهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو بريتزكر في إنشاء أول بطارية صوديوم صلبة خالية من الأنود في العالم.
بفضل هذا البحث، تمكنت LESC - وهي عبارة عن تعاون بين كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو وقسم الهندسة الكيميائية والنانوية لعائلة أيسو يوفينغ لي بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو - من جعل واقع البطاريات الرخيصة وسريعة الشحن وذات السعة العالية للسيارات الكهربائية وتخزين الشبكة أمراً واقعاً أكثر من أي وقت مضى.
قال غرايسون ديشر، مرشح الدكتوراه بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو والمؤلف الأول لورقة بحثية جديدة توضح عمل الفريق: "على الرغم من وجود بطاريات صوديوم وبطاريات الحالة الصلبة الخالية من الأنود سابقاً، لم يتمكن أحد من الجمع بنجاح بين هذه الأفكار الثلاث حتى الآن".
توضح الورقة البحثية، التي نُشرت في مجلة Nature Energy، بنية بطارية صوديوم جديدة بدورة مستقرة لعدة مئات من الدورات. من خلال إزالة الأنود واستخدام صوديوم غير مكلف ووفير بدلاً من الليثيوم، سيكون هذا الشكل الجديد من البطاريات أقل تكلفة وصديقاً للبيئة في الإنتاج. ومن خلال تصميمها المبتكر للحالة الصلبة، ستكون البطارية آمنة وقوية في الوقت نفسه.
إن هذا العمل يمثل تقدماً في مجال العلوم وخطوة ضرورية لسد فجوة توسيع نطاق البطاريات اللازمة للتحول الاقتصادي العالمي بعيداً عن الوقود الأحفوري.
قالت مينغ: "لكي نحافظ على استمرار عمل الولايات المتحدة لمدة ساعة واحدة، يجب علينا إنتاج تيراواط ساعي من الطاقة. ولإنجاز مهمتنا المتمثلة في إزالة الكربون من اقتصادنا، نحتاج إلى عدة مئات من التيراواط الساعي من البطاريات. نحن بحاجة إلى المزيد من البطاريات، ونحتاج إليها بسرعة".
الاستدامة والصوديوم
الليثيوم المستخدم عادة في البطاريات ليس شائعاً جداً. فهو يشكل حوالي 20 جزءاً في المليون من قشرة الأرض، مقارنة بالصوديوم، الذي يشكل 20000 جزء في المليون.
أدت هذا الندرة، جنباً إلى جنب مع الارتفاع في الطلب على بطاريات الليثيوم أيون لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف والمركبات الكهربائية، إلى ارتفاع الأسعار بشكل كبير، الأمر الذي جعل البطاريات المطلوبة بعيدة عن متناول العديد من البشر.
كما أن رواسب الليثيوم تتركز أيضاً في مناطق محددة. يحتوي "مثلث الليثيوم" في تشيلي والأرجنتين وبوليفيا على أكثر من 75% من إمدادات الليثيوم في العالم، مع رواسب أخرى في أستراليا وكارولينا الشمالية ونيفادا. وهذا يفيد بعض الدول أكثر من غيرها في إزالة الكربون لمكافحة تغير المناخ.
كما أن استخراج الليثيوم ضار بالبيئة، سواء من الأحماض الصناعية المستخدمة لتفكيك خام التعدين أو استخراج المحلول الملحي الأكثر شيوعاً والذي يضخ كميات هائلة من الماء إلى السطح لتجفيفه.
الصوديوم، الموجود بكثرة في مياه المحيطات وفي تعدين رماد الصودا، هو مادة صديقة للبيئة بطبيعته. وقد جعلته أبحاث LESC مادة قوية أيضاً.
العديد من الفوائد
من خلال كونه صلباً، يمنع إلكتروليت الألومنيوم أيضاً تكوين التشعبات، وهو السبب الرئيسي لقصر عمر بطاريات الحالة الصلبة. كما أنه يوفر واجهة مستقرة ويتجنب رؤية بعض الصوديوم الذي يتعذر الوصول إليه بالتيار مما قد يقلل من سعة البطارية.
وأخيراً، فهي تسمح بكثافة طاقة عالية، مع خيارات مختلفة لبطارية الصوديوم ذات الحالة الصلبة التي تتراوح جميعها بكثافة 200-400 وات ساعة/كجم.
هندسة مبتكرة
لإنشاء بطارية صوديوم بكثافة طاقة بطارية الليثيوم، احتاج الفريق إلى اختراع هندسة جديدة لبطارية الصوديوم. تحتوي البطاريات التقليدية على أنود لتخزين الأيونات أثناء شحن البطارية. أثناء استخدام البطارية، تتدفق الأيونات من الأنود عبر إلكتروليت إلى جامع تيار (كاثود)، مما يغذي الأجهزة والسيارات على طول الطريق.
إن البطاريات الخالية من الأنود تستبدل الأنود وتخزن الأيونات على مرسب كهروكيميائي للمعدن القلوي مباشرة على جامع التيار. يتيح هذا النهج جهداً أعلى، وتكلفة أقل للخلية، وزيادة كثافة الطاقة، ولكنه يجلب تحدياته الخاصة أيضاً.
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 سطح. لا يمكن للإلكتروليت الصلب القيام بذلك".
ومع ذلك، فإن هذه الإلكتروليتات السائلة تخلق تراكماً يسمى الطور البيني للإلكتروليت الصلب بينما تُستهلك المواد النشطة بشكل ثابت، مما يقلل من فائدة البطارية بمرور الوقت.
مادة صلبة منسابة
اتخذ الفريق نهجاً جديداً ومبتكراً لحل هذه المشكلة. فبدلاً من استخدام إلكتروليت يحيط بجامع التيار، قاموا بإنشاء جامع تيار يحيط بالإلكتروليت. حيث صنعوا جامع التيار الخاص بهم من مسحوق الألومنيوم، وهو مادة صلبة يمكن أن تنساب مثل السائل.
أثناء تجميع البطارية، يُكثف المسحوق تحت ضغط مرتفع لتشكيل جامع 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.
قال ديشر: "عادةً ما يُنظر إلى بطاريات الحالة الصلبة المصنوعة من الصوديوم على أنها تقنية قادمة من المستقبل البعيد، لكننا نأمل أن تتمكن هذه الورقة من تنشيط المزيد من الدفع في مجال الصوديوم من خلال إثبات أنها يمكن أن تعمل بشكل جيد بالفعل، بل وأفضل من نسخة الليثيوم في بعض الحالات".
ما هو الهدف النهائي؟ تتصور مينغ مستقبلاً للطاقة مع مجموعة متنوعة من خيارات البطاريات النظيفة وغير المكلفة التي تخزن الطاقة المتجددة، والتي يجري تصميمها بشكل يتناسب مع احتياجات المجتمع.
وقد تقدم ديشير ومينغ بطلب للحصول على براءة اختراع لعملهما من خلال مكتب الابتكار والتسويق بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو.
----