اختراق بطارية الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون يلتقط الكربون أثناء تشغيل الأجهزة

University of Surrey engineers have introduced a Lithium-CO2 battery that removes carbon dioxide from the air as part of its normal operation. The upgraded battery design has the potential to outperform its predecessors while helping to combat pollution and climate change. Here’s what you need to know.

لماذا بطاريات الليثيوم-أيون تقصر في الطاقة الخضراء

المستقبل لاسلكي، وتدرك الشركات وجود طلب على حلول بطاريات نظيفة. أكثر البطاريات شيوعًا اليوم هي بطاريات الليثيوم-أيون. يمكن العثور على هذه البطاريات في الأجهزة اليومية مثل هاتفك المحمول، السيارة الكهربائية، وساعة اليد الذكية. تقدم بطاريات الليثيوم-أيون كثافة جيدة، دورات شحن مقبولة، وتكلفة معقولة. ومع ذلك، فهي ليست مستدامة وتظل ملوثًا رئيسيًا في مكبات النفايات حول العالم.

التحديات الرئيسية لبطاريات الليثيوم-أيون: السلامة، التكلفة، والنفايات

هناك عدة مشاكل في بطاريات الليثيوم-أيون حدّت من فعاليتها وكفاءتها. أولاً، تتطلب استخدام مواد نادرة ومكلفة. موارد مثل البلاتين يصعب الحصول عليها وتزيد من تكلفة عملية التصنيع بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، أصبح الطلب على المعادن النادرة مصدر قلق أمني للدول التي تسعى لضمان إمدادات كافية من هذه العناصر الأساسية.

تعاني بطاريات الليثيوم-أيون أيضًا من عمر دورة ضعيف. يتسبب تصميم هذه البطارية في فقدان بسيط مع كل دورة شحن. وبالتالي، تقل أداء بطاريات الليثيوم-أيون مع كل دورة. بالإضافة إلى ذلك، فإن التخلص منها مكلف للغاية ويمكن أن يصبح خطرًا على السلامة إذا تم شحنها بشكل غير صحيح أو إذا حدث انطلاق حراري.

الانطلاق الحراري يشير إلى ارتفاع حرارة خلايا بطارية الليثيوم-أيون، مما يسبب ارتفاع حرارة الخلايا المجاورة. النتيجة هي ذوبان هائل قد يسبب حرائق أو حتى انفجارات. تم توثيق الأضرار الناتجة عن هذه الأحداث جيدًا. بحث بسيط سيظهر تاريخًا طويلًا من حرائق بطاريات الليثيوم-أيون حول العالم.

الجهد الزائد

قضية أخرى لمستخدمي بطاريات الليثيوم-أيون هي الجهد الزائد. يشير هذا المصطلح إلى كمية الطاقة المستخدمة لبدء التفاعل الكيميائي وشحن البطارية. تعاني أنظمة الليثيوم-أيون من جهد زائد مرتفع. ومع ذلك، سيتغير كل ذلك بفضل بعض العلماء المبدعين.

ما هي بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون وكيف تعمل؟

ظهرت بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون كبديل مثير. تستخدم هذه البطاريات القابلة لإعادة الشحن غاز ثاني أكسيد الكربون كحامل للطاقة. يوفر هذا الهيكل فوائد كبيرة مثل تحسين الأداء، سعة أعلى، وجودة هواء أنظف. وبالتالي، يعتقد الكثيرون أن بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون هي الخطوة الأفضل لتحقيق صافي انبعاثات كربونية صفرية في المستقبل.

عيوب بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون الحالية

أحد العوائق الرئيسية لاستخدام بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون حاليًا هو نقص المحفزات الموثوقة ومنخفضة التكلفة. إدراكًا لهذا الواقع، قام المهندسون بإنشاء نسخة جديدة تدمج التقدمات الحديثة في علم المواد والنمذجة الحاسوبية. يعد النهج الجديد بمعالجة مشكلتين في آن واحد: استهلاك الطاقة وجودة الهواء.

دراسة اختراق بطارية الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون بجامعة ساري

The study¹,”Ultralow Overpotential in Rechargeable Li–CO2 Batteries Enabled by Caesium Phosphomolybdate as an Effective Redox Catalyst,” published in Advanced Science, delves into “breathing” batteries. These devices use CO2 to interact with a purpose-built catalyst, creating a clean energy loop.

تفكيك بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون

كجزء من عمليتهم، أنشأ المهندسون عدة بطاريات ليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون باستخدام محفزات مختلفة. ثم خضعوا البطاريات لآلاف دورات الشحن، ما يمثل سنوات من الاستخدام اليومي. بعد فترة الدورات، قاموا بتفكيك الوحدات للحصول على فهم أعمق لما حدث من حيث التحلل، التراكم، وعوامل أخرى تحد من الأداء. ولاحظ الفريق بشكل ملحوظ تكوّن رواسب كربونات الليثيوم التي يمكن إزالتها بسهولة لتمكين البطارية من تحسين دورة شحنها.

المصدر – كلية الكيمياء والهندسة الكيميائية بجامعة ساري ومعهد التكنولوجيا المتقدمة

نموذج الحاسوب لبطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون

استخدم الباحثون البيانات التي حصلوا عليها من تجاربهم لإنشاء نموذج حاسوبي دقيق. يستخدم النموذج نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتوقع التفاصيل والتغييرات الحرجة. عزز النموذج قدرة الفريق على إجراء تجارب فكرية وساعدهم على تقليل التكاليف الإجمالية مع توسيع اختباراتهم. كان الهدف هو استخدام النموذج للعثور على أفضل مادة لإنشاء هيكل مسامي ثابت يمكنه دعم التفاعلات الكيميائية التي تجعل بطاريات الليثيوم تعمل.

فوسفو-موليبدات السيزيوم (CPM)

بعد بعض الاختبارات، قرر المهندسون أن فوسفو-موليبدات السيزيوم (Cs3PMo12O40، CPM) خيار واعد. طبق المهندسون CPM كمحفز في بطاريات Li‒CO2 ثم أجروا عدة اختبارات. لإنشاء CPM، قام المهندسون بتصنيع المحفزات وتغليف القطب الموجب.

وجد أن المادة مثالية لأنها تحتوي على العديد من المواقع الكهرونشطة وتتميز بسطح غني بالأكسجين. كما أن المركب يمتلك بنية مسامية فريدة تضيف إلى متانته وأدائه خلال دورات الشحن، مما يعني أن هذه البطاريات تستخدم طاقة أقل لإعادة الشحن مقارنةً بسابقتها.

هذه المسام في CPM مثالية لأنها تدعم انتشارًا فعالًا لجزيئات ثاني أكسيد الكربون وأيونات Li+ إلى المواقع النشطة. بالإضافة إلى ذلك، تخدم المسام دورًا آخر، وهو استيعاب منتجات التفريغ. تجدر الإشارة إلى أن البنى البلورية لا يتجاوز حجمها 140 نانومتر.

تحليل حيود الأشعة السينية بالمسحوق (PXRD)

راجع المهندسون بنية وشبكة البلورات وتركيب محفز CPM المُصنع باستخدام طريقة حيود الأشعة السينية بالمسحوق. تعمل هذه الأداة بتركيز الأشعة السينية على البنية وتحليل نمط حيوده.

تحليل الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)

الخطوة التالية كانت تحديد الطاقة التي امتصت أو انبعثت نتيجة العمليات. استخدم المهندسون مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه لتحقيق هذه الخطوة. لاحظ الفريق وجود جسيمات الكيجن خلال العملية، وهو ما يتماشى مع توقعات نموذجهم الحاسوبي.

وحدات كيجن

بذل الفريق جهدًا كبيرًا لتحديد ما إذا كان إنشاؤهم يحتوي على وحدات كيجن مدمجة في سطحه. تشير وحدات كيجن إلى إطار بلوري معروف بمتانته واستقراره الهيكلي. إنها الإعداد المثالي للبطاريات لأنها تحتفظ بهيكلها خلال عملية الدورة.

مطيافية الفوتونات السينية (XPS)

استخدم الفريق مطيافية الفوتونات السينية للحصول على فهم أعمق للحالة الكيميائية للمحفز أثناء العملية وبعدها. حددوا بدقة تركيبة العناصر السطحية وعدلوها لتحسين أداء البطارية وطول عمرها.

التحليل الحراري الوزني (TG)

الخطوة التالية كانت تحديد ما إذا كان هناك رطوبة تدخل النظام أو تُنتج كمنتج ثانوي. استخدم الباحثون التحليل الحراري الوزني لتقييم محتوى الماء في مركب CPM. أظهر الاختبار أن التصميم الجديد يمكنه دعم تطوير بطاريات عالية الكثافة.

اختبار بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون

ساعدت سلسلة من التجارب المخبرية المهندسين على التحقق مرة أخرى من توقعاتهم. أجرى الفريق محاكاة فعلية وحاسوبية لتقييم القدرة التحفيزية للـ CPM في تعزيز حركيات CRR/CER. حددوا أن هيكلهم يمتلك خصائص فريدة تجعله مثاليًا للاستخدام كمحفز.

نتائج اختبار بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون

كانت نتائج الاختبار مدهشة. عمل الهيكل الجديد للبطارية دون فشل. أجرى الفريق 100 دورة عند 50 مللي أمبير/غ مع حد سعة 500 مللي أمبير/غ. لاحظوا أن الجهاز يمكنه تخزين طاقة أكبر وكان أسهل في الشحن مقارنةً بخيارات الليثيوم-أيون التقليدية. بشكل مثير، أظهرت البطاريات المطورة سعة تفريغ ممتازة تبلغ 15440 مللي أمبير/غ عند 50 مللي أمبير/غ مع كفاءة كولومية 97.3٪. بالإضافة إلى ذلك، قدم المحفز جهدًا زائدًا منخفضًا قدره 0.67 فولت.

أظهرت هذه البيانات أن التصميم الجديد أكثر فعالية بكثير من المحفز التقليدي. على وجه التحديد، يوفر سعة تفريغ-شحن أعلى وجهد زائد أقل للبطاريات. كما يدعم تصميم بطارية Li-CO2 استقرارًا طويلًا يصل إلى 107 دورات عند 50 مللي أمبير/غ مع حد سعة 500 مللي أمبير/غ.

أهم فوائد بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون للطاقة النظيفة

هناك العديد من الفوائد التي تجلبها بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون إلى السوق. أولاً، توفر للمستخدمين بديلًا نظيفًا لبطاريات الليثيوم-أيون التي تستمر في ملء المكبات. يقلل هذا النهج الجديد من النفايات وانبعاثات الغازات الدفيئة في الوقت نفسه، مما يفتح الباب أمام صناعة البطاريات لإجراء تحسينات جادة مع تقليل التلوث.

سعة أعلى

تظهر التقارير أن بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون يمكنها توفير سعة أعلى من سابقتها. بالإضافة إلى ذلك، لديها جهد زائد أقل بكثير، مما يعني أنها تستخدم طاقة أقل بكثير للشحن. يوسع نهج الشحن الأقل كثافة دورة حياة البطارية دون تقليل أدائها.

بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون أكثر تكلفة معقولة.

سبب آخر قد يدفع مصنعي البطاريات والمستهلكين إلى تدفق مفاجئ من خيارات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون هو أنها توفر عملية تصنيع أكثر تكلفة معقولة. عندما تجمع بين انخفاض تكاليف التصنيع وانخفاض الانبعاثات، يبدو بديل الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون كطريقة عملية لتخزين الطاقة النظيفة.

بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون أكثر قابلية للتوسع

ضمن الباحثون أن عملهم يمكن أن يتوسع لتلبية احتياجات المجتمع. هناك طلب هائل على خيارات الطاقة النظيفة لتشغيل الأجهزة المحمولة. يرى المهندسون أن هذا التطور في البطاريات يمثل تحسينًا يقلل التكلفة مع الفائدة الإضافية التي هي حجز CO2، وهو غاز دفيئة ضار.

بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون أكثر كفاءة.

الكفاءة هي فائدة أخرى تتمتع بها بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون مقارنةً بحلول البطاريات الأخرى. ستتمكن هذه المصادر الطاقة الجيلية من العمل بكفاءة عبر مجموعة واسعة من حالات الاستخدام. توفر الوحدات سعة طاقة أكبر ويمكن توسيعها لضمان توافقها مع التطبيق.

بدون معادن أرض نادرة

معادن الأرض النادرة هي مورد محدود يستمر في زيادة قيمته. هناك بالفعل تعريفات جمركية وتشريعات أخرى تهدف إلى حماية الوصول إلى معادن الأرض النادرة من قبل القوى العظمى في العالم. قد يكون قرار المهندسين بإلغاء الحاجة إلى هذه المعادن في تصميم بطاريتهم أحد الأسباب الرئيسية لنجاح هذه التقنية.

التطبيقات العملية لبطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون ومتى نتوقعها

هناك العديد من التطبيقات للبطاريات الأكثر خضرة. يحتاج العالم إلى بدائل نظيفة يمكنها تشغيل العدد المتزايد من الأنظمة اللاسلكية المستخدمة يوميًا. قد تُشغل بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون يومًا ما منزلك، سيارتك، وأجهزتك، مع المساعدة في تقليل الغازات الدفيئة الضارة.

السفر إلى الفضاء

السفر إلى الفضاء هو تطبيق آخر لهذه التقنية. مع استمرار العلماء في التفكير بطرق لدعم الاستكشاف في الفضاء العميق وعوالم أخرى، يجب البحث عن خيارات طاقة جديدة. يوفر هذا التطور الأخير مزايا رئيسية في أنه يمكن أن يعمل على كواكب بعيدة مثل المريخ بسبب غلافها الجوي المكوّن من 95٪ من ثاني أكسيد الكربون.

الجدول الزمني لبطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون

قد يستغرق الأمر حوالي 5 سنوات تقريبًا حتى تصل بطاريات CO2 إلى المستهلكين. التقنية موجودة، لكن الفريق لا يزال بحاجة إلى تحديد النهج الأفضل لجلب اختراعهم إلى السوق. ومن الجدير بالذكر أن الطلب المتزايد للوفاء بالتزامات صافي الصفر قد يسرّع هذا الجدول الزمني ويساعد على إعطاء أولوية دمج خيارات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون.

باحثو بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون

استضافت دراسة بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون كلية الكيمياء والهندسة الكيميائية بجامعة ساري ومعهد التكنولوجيا المتقدمة. تُدرج الورقة الاختراقية سِدْهار غادكاري ودانييل كوماندر كالمؤلفين المشاركين في الدراسة. تلقوا الدعم من مهسا مسعودي، نيوبى ف. زافيير جونيور، جيمس رايت، توماس إم روزفير، ستيفن هيندر، فلاد ستولوجان، تشيونغ كاي، وروبرت سي. تي. سلايد.

مستقبل بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون

يسعى الفريق إلى الغوص أعمق في مواد أخرى وكيفية تفاعل هذه المحفزات مع الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات. كما يرغبون في استكشاف بولي أوكسوميتاليت من نوع كيجن كعامل أكسدة اختزالي ثنائي الوظيفة. قد تساعد هذه الخطوات في تحسين جوانب رئيسية من تصميمهم، بما في ذلك دورة الشحن القابلة للعكس لبطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون القابلة لإعادة الشحن.

الاستثمار في قطاع البطاريات

هناك عدة شركات تشارك في سوق البطاريات. تمتد هذه الشركات من المصنعين المعروفين من الفئة الأولى إلى البدائل منخفضة التكلفة وحتى النسخ المقلدة. يظل الطلب على البطاريات عالية الجودة مرتفعًا. إليكم شركة تصنيع بطاريات لا تزال في موقع جيد للنجاح وقد تدمج بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون في منتجاتها في المستقبل.

Solid Power

دخلت Solid Power (SLDP ) السوق في عام 2011 ومقرها في كولورادو. هدف الشركة هو إنشاء بدائل بطاريات صلبة عالية الأداء. منذ إطلاقها، شهدت Solid Power دعمًا ونموًا ملحوظًا في السوق. يعود هذا النمو أساسًا إلى روحها الابتكارية ومنتجاتها الفريدة التي تستبدل الإلكتروليتات السائلة بخيارات صلبة من السلفيد. قلل هذا النهج من خطر الحريق أو الانطلاق الحراري.

تمتلك Solid Power عدة شراكات استراتيجية مع مصنعي السيارات الكهربائية. صُممت هذه الشراكات لدفع الابتكار ومساعدة السوق في العثور على بديل أكثر أمانًا وكفاءة. اليوم، لدى الشركة اتفاقيات مع مجموعة متنوعة من المصنّعين عبر الصناعات، بما في ذلك القطاعين الطبي والتصنيعي.

أولئك الذين يسعون للحصول على سهم بطارية صلبة ذات إمكانات نمو يجب أن يفكروا في إجراء مزيد من البحث حول SLDP. تثير شراكات الشركة ومنتجاتها حماس العديد من المحللين. بالإضافة إلى ذلك، هناك طلب متزايد على خدماتها، مما قد يرتبط بزيادة قيمة السهم في الأسابيع القادمة.

آخر أخبار وتطورات سهم Solid Power (SLDP)

بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون – طاقة نظيفة جاهزة

يمكن أن تساعد بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون المهندسين على وضع حد لمخاطر الحرائق والأضرار الناجمة عن الانطلاق الحراري لبطاريات الليثيوم-أيون. هذه الوحدات موجودة في كل مكان، واستبدالها ببديل أكثر أمانًا وكفاءة قد يساعد جزءًا كبيرًا من السكان. وبالتالي، يواصل المصنعون والمهندسون استثمار الوقت والمال والجهد في تحسين بطاريات اليوم. لحسن الحظ، يحقق هذا المنتج الأخير أقصى استفادة من جهودهم إلى جانب إنتاج الطاقة النظيفة.

اكتشف تطورات طاقة أخرى رائعة الآن.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Masoudi, M., Xavier Jr, N. F., Wright, J., Roseveare, T. M., Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, R. C. T., Commandeur, D., & Gadkari, S. (2025). انخفاض مفرط للجهد في بطاريات الليثيوم-ثنائي أكسيد الكربون القابلة لإعادة الشحن بفضل فوسفو-موليبدات السيزيوم كمحفز أكسدة اختزالي فعال. Advanced Science, 12(17), 2502553. https://doi.org/10.1002/advs.202502553}