بطاريات من المياه جديدة، أرخص، وقابلة لإعادة التدوير، ولن تنفجر

عادة لا يختلط الماء والإلكترونيات، لكن كما تبين، يمكن أن تستفيد البطاريات من بعض الماء.

من خلال استبدال الإلكتروليتات الكيميائية الخطرة المستخدمة في البطاريات التجارية بالمياه، طور العلماء “بطارية من المياه” قابلة لإعادة التدوير – وحلوا المشكلات الرئيسية باستخدام التكنولوجيا الناشئة، والتي يمكن أن تكون بديلاً أكثر أمانًا وصديقًا للبيئة.

تُعرف “البطاريات المائية” باسم بطاريات الأيونات المعدنية المائية. تستخدم هذه الأجهزة معادن مثل المغنيسيوم أو الزنك، وهي أرخص في التجميع وأقل سمية من المواد المستخدمة حاليًا في أنواع البطاريات الأخرى.

تقوم البطاريات بتخزين الطاقة عن طريق خلق تدفق من الإلكترونات التي تنتقل من الطرف الموجب للبطارية (الكاثود) إلى الطرف السالب (الأنود). إنها تنفق الطاقة عندما تتدفق الإلكترونات في الاتجاه المعاكس. يوجد السائل الموجود في البطارية لنقل الإلكترونات ذهابًا وإيابًا بين الطرفين.

في بطارية الماء، يكون السائل الإلكتروليتي عبارة عن ماء مع قليل من الأملاح المضافة، بدلاً من شيء مثل حمض الكبريتيك أو ملح الليثيوم.

والأهم من ذلك، أن الفريق الذي يقف وراء هذا التقدم الأخير توصل إلى طريقة لمنع قصور دائرة البطاريات المائية هذه. يحدث هذا عندما تتشكل زوائد معدنية شائكة صغيرة تسمى التشعبات على الأنود المعدني داخل البطارية، وتخترق حجرات البطارية.

على الرغم من أنه من غير المرجح أن تحل التكنولوجيا الجديدة محل بطاريات أيونات الليثيوم في أي وقت قريب، إلا أنه مع مزيد من البحث والتطوير، يمكن أن توفر البطاريات المائية بديلاً آمنًا لبطاريات أيونات الليثيوم في غضون عقد من الزمن أو على نحو ذلك، كما يقول المؤلف الرئيسي، العالم الكيميائي تياني ما Tianyi Ma من RMIT. الجامعة في ملبورن، أستراليا.

يمكن لبطاريات أيون الليثيوم، الموجودة في كل شيء بدءًا من أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف وحتى الدراجات الكهربائية والسيارات، أن ترتفع درجة حرارتها وتشتعل فيها النيران في الحالات القصوى. وذلك لأن الليثيوم معدن نشط تمامًا، وهو مغمور في إلكتروليت عضوي.

نظرًا لهذه المخاوف المتعلقة بالسلامة، يحاول الباحثون منذ فترة طويلة ابتكار بطاريات تستخدم مواد مختلفة ولكنها تنتج نفس الأداء ولها نفس العمر الافتراضي.

كانت العقبة الرئيسية أمام استخدام بطاريات الأيونات المعدنية المائية هي نمو التشعبات. ولمنع ذلك، قام الباحثون بتغليف أنود الزنك الخاص بالبطارية بمعدن البزموت، الذي يتأكسد ليشكل الصدأ. يؤدي هذا إلى إنشاء طبقة واقية تمنع تشكل التشعبات.

أظهرت تجارب الباحثين أن هذه الميزة تساعد أيضًا النموذج الأولي للبطاريات المائية على الاستمرار لفترة أطول، والاحتفاظ بأكثر من 85% من سعتها بعد 500 دورة.

وفقًا لرويس كورميلوف Royce Kurmelovs من صحيفة الغارديان، فقد طور الفريق حتى الآن نماذج أولية تعتمد على الماء لبطاريات بحجم العملة المعدنية المستخدمة في الساعات، بالإضافة إلى بطاريات أسطوانية مشابهة لبطاريات AA أو AAA.

يعمل الفريق على تحسين كثافة الطاقة في بطارياتهم المائية، لجعلها قابلة للمقارنة ببطاريات أيون الليثيوم المدمجة الموجودة داخل الأجهزة بحجم الجيب.

المغنيسيوم هو المادة المفضلة لديهم، وهو أخف من الزنك وله كثافة طاقة محتملة أكبر. ويقول السيد ما إنه إذا أمكن تسويق بطاريات أيونات المغنسيوم تجاريًا، فيمكن لهذه التكنولوجيا أن تحل محل بطاريات الرصاص الحمضية الضخمة في غضون بضع سنوات.

تتميز بطاريات الرصاص الحمضية بكثافة طاقة منخفضة، وتستخدم لبدء تشغيل محركات السيارات التي تعمل بالبنزين أو الديزل وفي تخزين طاقة الشبكة على نطاق واسع. لكن، نظرًا لاحتوائها على الرصاص والأحماض الخطرة، فلا يمكن التخلص منها ويجب إعادة تدويرها في منشآت متخصصة.

تعد إعادة تدوير بطاريات أيون الليثيوم أو إعادة استخدامها أيضًا أولوية قصوى نظرًا للزيادات المتوقعة في الطلب على البطاريات والمعادن المستخدمة في تصنيعها، حيث يعمل العالم على كهربة أنظمة الطاقة لديه للتخلص التدريجي من الوقود الأحفوري ومكافحة تغير المناخ.

يقول السيد ما: “من أجل مواجهة تحديات التخلص من النفايات في نهاية العمر التي يواجهها المستهلكون والصناعة والحكومات على مستوى العالم مع تكنولوجيا تخزين الطاقة الحالية، يمكن تفكيك بطارياتنا بأمان ويمكن إعادة استخدام المواد أو إعادة تدويرها”.

من حيث التطبيقات العملية، قام الباحثون بربط تصميم بطاريتهم بلوحة شمسية ومصباح شمسي بقدرة 45 واط، حيث تظل البطارية مضاءة لمدة 12 ساعة بعد شحن يوم واحد. إنه عرض صغير النطاق لإمكانية استخدام “البطاريات المائية” لتخزين الطاقة المتجددة، الأمر الذي من شأنه أن يشجع المزيد من الأبحاث.

رابط المقال:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202400237