بطاريات قابلة لإعادة التدوير في الأفق: استبدال الإلكتروليتات العضوية بالماء

بطاريات الماء وسلامة الحرائق

لعدة سنوات، كانت بطاريات الليثيوم أيون الشكل السائد للبطاريات في السوق، سواء للإلكترونيات أو للمركبات الكهربائية. يعود ذلك إلى أدائها الاستثنائي من حيث كثافة الطاقة والسلامة العامة. ولكن عندما تفشل، فإنها تميل إلى الفشل بطريقة مذهلة، مع حرائق شديدة يصعب إخمادها. وهذا يمثل مشكلة أيضاً عندما تكون البطاريات في نهاية عمرها وتحتاج إلى إعادة التدوير.

أسوأ سيناريو هو عندما يتسبب فشل بطارية واحدة في سلسلة من الحرائق على البطاريات المجاورة، وهو قلق حقيقي عند بناء حدائق بطاريات باستخدام الليثيوم أيون للأنظمة الكبيرة على مستوى المرافق. يأتي خطر الحريق في بطاريات الليثيوم أساساً من الإلكتروليتات العضوية القابلة للاشتعال المستخدمة لربط الأنود والكاثود في البطارية.

قد يكون الباحثون في RMIT في أستراليا قد وجدوا حلاً عن طريق استبدال الإلكتروليتات بالماء. يقود الفريق البروفيسور تيان يي ما (يسار)، الذي عمل على المشروع مع الدكتور لينغفنغ تشو (يمين).

المصدر: RMIT

وعود بطاريات الماء

يعتمد تصميم بطاريات الماء على عناصر بسيطة مثل الزنك والمغنيسيوم، والتي تتوافر بوفرة وتتمتع بسُمية منخفضة، مما يقلل من تكاليف التصنيع ويسهل إنتاجها على نطاق واسع.

في الواقع، يعني ذلك أن بطاريات الماء يمكن أن تتوفر بأشكال متعددة. على سبيل المثال، هي على شكل بطارية أيون المغنيسيوم أو بطارية أيون الأمونيا.

ويعمل فريق البروفيسور تيان يي على جعل هذه البطاريات قابلة للتسويق تجارياً من خلال حل التفاصيل التي أعاقت اعتمادها حتى الآن.

أحد الأمثلة هو تحسين قطب المنغنيز، وإنشاء مكثفات باستخدام المغنيسيوم والمنغنيز وتحقيق “128.39 واط·ساعة/كغ مع قدرة دورة طويلة جداً، مع احتفاظ بنسبة 85 % من السعة بعد 6000 دورة”

الخصائص الكهروكيميائية المتميزة، والآثار الأمنية الحرجة للإلكتروليت المائي، تجعل هذا الـ MIC المائي واعداً لتطبيقات تخزين الطاقة على نطاق واسع. علاوة على ذلك، يجب أن توفر استراتيجية مفهوم بناء العيوب المزدوجة للكاتيون-الأنيون رؤى أساسية في تصنيع بطاريات القواعد المعدنية القابلة لإعادة الشحن.
المصدر: Energy Storage Material

حل مشكلة التشعبات

مشكلة أخرى تواجه معظم البطاريات هي النمو المتدرج للتشعبات داخل البطارية. التشعبات هي هياكل معدنية شائكة يمكنها، مع مرور الوقت، إنشاء مسارات قصيرة (والنار في حالة بطاريات الليثيوم أيون). بطاريات الماء أيضاً عرضة لمشكلة التشعبات.

من خلال تغليف الأجزاء المعدنية للبطارية بالبيزموت، يتم إنشاء طبقة واقية تمنع تكوّن التشعبات.

يجعل هذا البطاريات الجديدة أكثر متانة بشكل ملحوظ مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون، مما يجعلها مناسبة للاستخدام المكثف مثل حزم البطاريات على مستوى المرافق، أو ربما حتى للمركبات التجارية. خاصةً أنها أكثر أماناً بكثير، فهي بذلك مرشح جيد لتوسيع مجموعة الكيميائيات البديلة عن الليثيوم أيون، خصوصاً على مستوى المرافق (وهو ما استكشفناه بمزيد من التفصيل في مقالتنا “مستقبل تخزين الطاقة – تقنيات بطاريات المرافق”، بما في ذلك الشركات التي تعمل على تصنيعها على نطاق تجاري).

“بطاريات الماء ذات أيون المغنيسيوم لديها القدرة على استبدال بطاريات الرصاص الحمضية على المدى القصير – خلال سنة إلى ثلاث سنوات – وكذلك قد تستبدل بطاريات الليثيوم أيون على المدى الطويل، خلال 5 إلى 10 سنوات من الآن.”
Pr Tianyi Ma

هل بطاريات الماء هي المستقبل؟

من المحتمل أن تكون بطاريات المرافق مختلفة جذرياً عن بطاريات المركبات الكهربائية، حيث أن الاثنين لا يعملان تحت نفس القيود:

• يجب أن تكون بطاريات المركبات الكهربائية خفيفة وصغيرة، ذات كثافة طاقة عالية، وتُشحن بسرعة.
• يجب أن تكون بطاريات المرافق رخيصة، ذات متانة عالية، مستقرة/آمنة، وتعتمد على مواد وفيرة يمكن الحصول عليها بكميات هائلة.

وحتى في مجال بطاريات المرافق، من المحتمل أن تتشارك عدة كيميائيات السوق لسنوات، إن لم يكن لعقود.

ذلك لأن كل منها سيحظى بمزاياه وحالات استخدامه الخاصة، مثل أطر زمنية مختلفة، تخزين الطاقة لدورة الليل/النهار أو لأسابيع في المرة الواحدة.

وبما أن التبني الواسع للطاقة المتجددة يعني تبني واسع للبطاريات، فإن تنويع المواد سيتجنب صدمة أسعار على المعادن التي ليست نادرة، ولكنها ليست في فائض هائل أيضاً، مثل:

• الزنك (بطاريات الزنك)
• المغنيسيوم (أيون المغنيسيوم)
• المنغنيز (بطاريات الهيدروجين المعدني)
• الفاناديوم (بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال)
• الأنتيمون (بطاريات المعادن المنصهرة)
• الكبريت (بطاريات الصوديوم-الكبريت)

لا توجد حالياً أي شركات تعمل على إدخال بطاريات أيون المغنيسيوم إلى السوق. لكن قد يتغير ذلك قريباً، بالنظر إلى تركيبات كيميائية أخرى تتقدم نحو الإنتاج الضخم.