الطاقة
اختراق صمغ الشجرة يعزز عمر المكثف الفائق
تُعد البطاريات من بين أكثر أجهزة تخزين الطاقة شيوعًا. يمكن شحن هذه الأجهزة الكهروكيميائية وتفريغها عدة مرات دون تلف. إنها تقدم فوائد عديدة، مثل خفض تكاليف الطاقة، زيادة الاستقلالية الطاقية، تحسين استقرار الشبكة، ودعم دمج الطاقة المتجددة.
لكن هناك جهاز تخزين طاقة كهروكيميائي آخر يتمتع بقدرات أكبر بكثير من البطاريات. ذلك الجهاز هو المكثف الفائق، المعروف أيضًا باسم المكثف الفائق أو المكثف الكهروكيميائي.
جهاز تخزين طاقة عالي السعة، وهو المكثف الفائق، يجسر الفجوة بين البطاريات والمكثفات التقليدية.
يعرض هذا الجهاز كثافة طاقة عالية، تصل إلى حوالي ألف مرة أعلى من البطاريات القابلة لإعادة الشحن. كما أنه يخزن شحنة أكبر من المكثف ويشحن ويفرغ أسرع من البطاريات.
بالإضافة إلى استقرارها الدوري الطويل، يتمتع المكثف الفائق بكفاءة شحن/تفريغ سريعة، مما يجعله مناسبًا للتطبيقات التي تحتاج إلى دفعات سريعة من الطاقة. اليوم، يُستخدم المكثف الفائق بشكل متزايد في مجموعة من التطبيقات بما في ذلك الليزر، مصادر الطاقة المحمولة، معدات فلاش الكاميرا، مولدات الضوء النبضي، أنظمة الطاقة المتجددة، المركبات الكهربائية الهجينة، والاحتياطيات الصناعية للطاقة.
يتكون المكثف الفائق الآن من قطبين، موصلات إلكترونية متصلة بالدائرة الخارجية، مفصولين بواسطة إلكتروليت، وهو موصل أيوني، وفاصل، وهو غشاء يفصلهما كهربائيًا بحيث لا يحدث قصر بين القطبين مع السماح لبعض الأيونات بالمرور لتجنب دائرة مفتوحة في النظام.
نظرًا لكثافة طاقتها العالية وصداقة البيئة، مثل قابلية إعادة التدوير، يُعد المكثف الفائق أحد أكثر أنظمة تخزين الطاقة التي تُجرى عليها أبحاث واسعة ونشطة.
في المكثف الفائق، تحدد التفاعل السطحي بشكل أساسي سعته. وبالتالي، فإن الواجهة المستقرة بين القطب والإلكتروليت هي المفتاح لتحقيق أداء عالٍ وضمان استقرار الأداء الكهروكيميائي.
الخصائص الواجهةية حاسمة لضمان أداء كهروكيميائي عالي، لذا يعمل الباحثون على تطوير طرق مختلفة لتحسينها وتجاوز المشكلات المرتبطة بها.
مع ذلك، تواجه جميع هذه المحاولات قيودًا كبيرة مثل القابلية للتوسع، التكلفة، صداقة البيئة، وعدة خطوات متضمنة في المعالجة. لذا، من الضروري التوصل إلى حل مستدام يفي بهذه المعايير ولا يزال قادرًا على تحقيق مكثف فائق عالي الكثافة الطاقية/القوة لتشغيل طويل الأمد.
لذلك، اجتمع فريق من الباحثين من ثلاث مؤسسات مختلفة لتقديم مادة مضافة جديدة للإلكتروليت، تتكون من بوالين حيوي متقن من صمغ كونداغوغو أو ألغينات الصوديوم (KS). هذا الصمغ الشجري ليس متوفرًا على نطاق واسع فحسب، بل وهو أيضًا قابل لإعادة التدوير.
أدى إدخال صمغ الشجرة إلى إنشاء طبقة واقية على سطح القطب، مما منع تكوين المنتجات الثانوية مع السماح بنقل الأيونات/الإلكترونات بسهولة. ومن الجدير بالذكر أن تطبيق مفهوم الإضافة الجديد هذا في نظام المكثف الفائق يؤدي إلى تحسين موثوقية الأداء الكهروكيميائي.
حتى عند تركيز KS منخفض، أي 5 ملغ/مل، تحسّن احتفاظ السعة بنسبة تصل إلى 35٪ لتصل إلى 93٪ بعد 30,000 دورة عند كثافة تيار 4.0 مللي أمبير/سم². وهذا يُعد “ملحوظًا” ببساطة نظرًا لاستخدام إلكتروليت حمضي H2SO4 والقطب الكربوني.
تصف الدراسة هذا بأنه “أقدم تقرير” عن تحسين كبير في تشغيل المكثف الفائق على المدى الطويل من خلال إدخال مادة مضافة إلكتروليتية بوالين حيوي متقن. هذا الحل، بفضل بساطته، تكلفته المنخفضة، وصداقة البيئة، لديه القدرة على أن يصبح تجاريًا.
دور صمغ الشجرة في المكثفات الفائقة من الجيل التالي
أجرى الباحثون من جامعات في اسكتلندا، كوريا الجنوبية، و1 الهند هذا البحث، الذي نُشر هذا الشهر في مجلة Energy Storage Materials.
يشمل ذلك جامعة غلاسكو، جامعة تشونغ-آنج، جامعة أجو، جامعة أمريتا، وجامعة ميونغجي، الذين صمموا معًا بنية مركب KS المتقن لمكثف فائق مستقر للغاية يوفر توافقًا حيويًا وموثوقية كهروكيميائية ممتازة.
الصمغ النفاوي المستخدم هنا يُنتج من الأشجار في الهند. لصمغ الأشجار تطبيقات واسعة عبر صناعات مثل الأغذية، مستحضرات التجميل، والأدوية. ومع ذلك، لا يمتلك هذا الصمغ تحديدًا العديد من الاستخدامات العملية.
في الواقع، الصمغ المستخدم “مشكلة بسيطة لحكومة الهند في التخلص منه”، كما أشار مؤلف الدراسة المراسل، الدكتور جون يونغ تشيونغ من كلية جيمس وات للهندسة بجامعة غلاسكو. وأضاف:
“من خلال هذا البحث، وجدنا طريقة لصنع شيء ذو تأثير حقيقي من هذا الصمغ، من خلال إنشاء بوالين حيوي قابل للتحلل وإعادة التدوير يتيح أداءً ملحوظًا ويمكن أن يطيل عمر المكثفات الفائقة بشكل كبير.”
يؤثر استخدام الإلكتروليتات الحمضية على الأداء الطويل الأمد للمكثفات الفائقة. من خلال التسبب في تفاعلات جانبية غير مرغوبة مع أقطابها المعدنية، تقلل من قدرتها على الاحتفاظ بالشحنة الكاملة مع مرور الوقت.
ثم هناك مشكلة استبدال المكثفات الفائقة وإعادة تدويرها والتخلص منها عند انتهاء عمرها. هذا يساهم في مشكلة النفايات الإلكترونية المتزايدة بسرعة، التي تشكل مخاطر بيئية وصحية كبيرة.
لذلك، استخدم الفريق صمغ كونداغوغو، وهو بوليسكاريد (جزيء حيوي معقد) يُنتج من لحاء شجرة كوكولوسبرموم جوسبيوم أو صمغ كونداغوغو (KO). دمج الباحثون هذا الصمغ مع ألغينات الصوديوم لإنتاج بوالين حيوي شبيه بالإسفنجة يُدعى ‘KS’.
أدى إضافة هذا البوالين الحيوي إلى الإلكتروليت الحمضي إلى تشكيل طبقة حامية على أقطاب الكربون، مما ساعد على منع تدهور الأقطاب المادي. تم توفير هذه الحماية دون التأثير على عملية نقل الأيونات، مما يمكّن المكثف الفائق من الشحن والتفريغ.
حسّن الإلكتروليت المحسن بشكل كبير أداء المكثف الفائق.
“في المختبر، أظهرنا أداءً ممتازًا على مدى 30,000 دورة. إذا قمنا بتشغيل دورة واحدة يوميًا، يمكن نظريًا أن يدوم المكثف الفائق أكثر من 80 سنة دون فقدان أداء كبير، مما قد يعني أن المكثفات الفائقة يمكن استخدامها في الأجهزة لفترة أطول بكثير دون الحاجة إلى استبدالها.”
– د. تشيونغ
يعتمد البحث فعليًا على أبحاث د. تشيونغ المستمرة حول استخدام النفايات الحيوية في البطاريات. أظهر بحثه أيضًا فعالية استخدام مواد ربط صمغية قابلة للذوبان في الماء في أقطاب الجرافيت في بطاريات الليثيوم أيون.
تم نشر “مواد ربط صمغية حيوية قابلة للذوبان في الماء لأقطاب الجرافيت الطبيعية لبطاريات الليثيوم أيون” في البحث2 الصيف الماضي، الذي تحدث عن استبدال الفلورايد بوليفينيلدين (PVdF) التقليدي، الذي يستخدم N-Methyl-2-pyrrolidone الضار بالبيئة، برباط قابل للذوبان في الماء.
فصلت الدراسة طريقة تصنيع أقطاب الجرافيت الطبيعية باستخدام PVdF ومواد ربط حيوية قابلة للذوبان في الماء (W-SB) المستخرجة من صمغ شجرة Cochlospermum gossypium. استخدم كل منهما 10٪ وزن من المادة الرابطة.
أظهر قطب NG-W-SB خصائص ميكانيكية جيدة وحافظ على سلامة الهيكل بعد الدورات، مما يعزز انخفاض مقاومة نقل الشحنة على القطب. كما أظهر قمم تيار عالية في الدورة الأولى، مما يدل على تحسين الأداء الكهروكيميائي، على عكس القمم المنخفضة قليلاً لقطب NG-PVdF الذي تعرض لتدهور السعة بعد 200 دورة فقط. بينما يمتلك NG-W-SB احتفاظًا ثابتًا أعلى بالسعة يصل إلى 360 دورة.
“عمومًا، أظهرت مواد ربط W-SB تحسينًا كبيرًا في خصائص احتفاظ الدورات، وقدرات معدل مماثلة، ومقاومة قطب أقل، مما فتح طريقًا جديدًا لتبني النفايات الحيوية (الصمغ) كمواد ربط قابلة للذوبان في الماء لتطبيقات بطاريات الليثيوم أيون”، حسب ما أشارت الدراسة.
بحث آخر للدكتور تشيونغ3 يتضمن “الكربون النشط المستمد من المواد العضوية لمكثف ورق توت العليق الصديق للبيئة”، حيث تم إعداد الكربون النشط (AC) باستخدام قشر البرتقال (OP)، وهو نفاية شائعة، ثم تم تغليفه على ورق التوت العليق (MP) الذي يُظهر قابلية للامتصاص المائي، محتوى عالي من الهولو سيلولوز، وربط قوي مع المادة النشطة. تم استخدام طبقة أخرى من بولي (3,4-إيثيلينديوكسيثيونين) بوليستيرين سلفونات (PEDOT:PSS) لتصنيع ورق MP مزدوج الطبقة للمكثف الفائق هنا.
تطورات أخرى في مجال المكثفات الفائقة
نظرًا لأهمية المكثفات الفائقة في مختلف التطبيقات، يجرى الباحثون حول العالم تحقيقًا نشطًا لإيجاد طرق لتحسين أدائها.
معالجة البلازما لتحسين السعة
في وقت قريب من هذا الشهر، كشف العلماء في معهد سكولكوفو للعلوم والتكنولوجيا (Skoltech) في روسيا عن معالجة بلازمية يمكنها مضاعفة سعة المكثفات الفائقة.
وفقًا للمحقق الرئيسي للدراسة، الأستاذ المساعد ستانيسلاف إفلشين، يبحث الفريق عن طرق لتحسين أداء المكثفات الفائقة “من خلال تعديل المادة الكربونية المستخدمة في أقطابها”.
هناك طريقتان لزيادة كمية الطاقة التي يخزنها المكثف الفائق، كما شرح إفلشين:
“إما أن تعزز مساحة السطح الفعالة للأقطاب من خلال تصميم سطحي معقد أو أن تُدخل ذرات غريبة إلى المادة الكربونية للأقطاب.”
ركزت دراستهم على تأثير إدخال ذرات غريبة إلى المادة الكربونية لأقطاب المكثف الفائق عبر معالجة البلازما.
اختبر الفريق تأثير البلازما ذات التركيب الكيميائي الستة المختلفة على سعة جدران النانو الكربونية، لكن فقط البلازما المكوّنة من مزيج النيتروجين والآرغون أظهرت تحسينًا ملحوظًا.
“وجدنا أن ما يحدث أولاً هو إزالة الكربون غير المتبلور المتبقي بعد نمو هياكل جدران النانو الكربونية. يتبع ذلك تكوين عيوب جديدة وإدماج ذرات غير متجانسة في بنية المادة الكربونية. يساهم الكربون غير المتبلور، إلى جانب ذرات النيتروجين غير المتجانسة، في حدوث السعة الكاذبة.”
– إفلشين
تحسين الأداء من خلال هندسة الأقطاب والمواد
هذا الأسبوع، قام باحثون من جامعة كاليفورنيا بتصميم توجيه الإلكترون-تبلور4 بالإضافة إلى تنشيط السطح تحت درجات حرارة واسعة في ZHSCs أو مكثفات أيون الزنك.
كما أشارت الدراسة، فإن مطابقة سعة الأنود والكاثود ضرورية لتعظيم أداء الخلية الكهروكيميائية. لذلك، قدموا نهجين لتسوية استغلال الأقطاب في ZHSCs.
يشمل ذلك تقليل تكوين الشجيرات، التي تزيد من عمر الدورة، من خلال تعديل جامع التيار للأنود باستخدام جسيمات نانوية من النحاس. والاستراتيجية الأخرى كانت زيادة سعة كاثود الكربون النشط عبر تفاعل الإلكتروليت.
حافظت الخلية الكاملة على 84٪ من سعتها حتى بعد 50,000 دورة شحن وتفريغ كاملة حتى 2 فولت. في الوقت نفسه، كانت سعتها التراكمية 19.8 أمبير·ساعة/سم²، وهو ما يتجاوز ZHSCs، مما يجعل تصميم هذا الجهاز “واعدًا لتطبيقات التحمل العالي، بما في ذلك إمدادات الطاقة غير المنقطعة وأنظمة جمع الطاقة التي تتطلب دورات متكررة”، وفقًا للبيان.
في الوقت نفسه، أوصت دراسة من الشهر الماضي، بتعديل5 بنية الأنيون لأكسيد الكوبالت الليثيوم لتحسين كثافة الطاقة وقدرة تخزين الشحنة للمكثفات الفائقة.
لهذا، تم تعديل أكسيد الكوبالت الليثيوم إلى LiCoO1.6(F0.8Cl0.2)0.4، والذي أظهر خصائص أداء مبهرة، بما في ذلك سعة 512 ف/غ وفعالية كولومية تزيد قليلاً عن 92٪ بعد 4000 دورة عند كثافة تيار 2 أ/غ. وفقًا للدراسة، فإن استقرار المادة المعدلة كيميائيًا عند معدلات تيار مرتفعة، بالإضافة إلى مقاومة سلسلة مكافئة منخفضة، “تضعها كمرشح مهم للتطورات المستقبلية في تكنولوجيا المكثفات الفائقة”.
المكثفات الفائقة البلاستيكية لتخزين طاقة أكبر
يستخدم الباحثون البلاستيك أيضًا لتحسين المكثفات الفائقة. قام كيميائيون من جامعة كاليفورنيا (UCLA) بتطوير ألياف نانوية من PEDOT ذات نسيج شبيه بالفرو، تتمتع بمساحة سطحية أكبر لتخزين الشحنة وتوصيل كهربائي فائق.
PEDOT أو بولي(3,4-إيثيلينديوكسيثيونين) هو فيلم شفاف ومرن يُطبق على أسطح المكونات الإلكترونية والأفلام الفوتوغرافية لحمايتها من الكهرباء الساكنة. إمكاناته لتخزين الطاقة محدودة إلى حد ما لأن مواد PEDOT لا تمتلك التوصيل الكهربائي والمساحة السطحية المطلوبة لتخزين كميات كبيرة من الطاقة.
ومع ذلك، باستخدام طريقة مبتكرة، سيطر الكيميائيون على شكل PEDOT لينمو أليافًا نانوية بدقة. أنشأت عملية النمو في الطور البخاري أليافًا نانوية عمودية من PEDOT تشبه العشب الكثيف المتجه للأعلى.
“النمو العمودي الفريد للمادة يتيح لنا إنشاء أقطاب PEDOT تخزن طاقة أكبر بكثير من PEDOT التقليدي.”
– المؤلف المراسل، عالم المواد في UCLA ماهر الكادي
أنشأ الفريق بعد ذلك مكثفًا فائقًا باستخدام هياكل PEDOT التي خزنّت ما يقرب من عشرة أضعاف الشحنة مقارنةً بـ PEDOT التقليدي واستمر تقريبًا 100,000 دورة شحن.
وفقًا للمؤلف المراسل، ريتشارد كانر، أستاذ الكيمياء وكذلك علوم المواد والهندسة:
“الأداء الاستثنائي والمتانة لأقطابنا يظهران إمكانات كبيرة لاستخدام جرافين PEDOT في المكثفات الفائقة التي يمكن أن تساعد مجتمعنا على تلبية احتياجات الطاقة.”
انقر هنا لتعرف كل شيء عن المكثفات الفائقة ذات الشحن الذاتي.
إضافة المكثفات الفائقة إلى البطاريات لتسريع الشحن
وسط كل هذا البحث، حتى صانع السيارات الألماني BMW قدّم طلب براءة اختراع لمكثف فائق سيشحن السيارات الهجينة للسباق خلال دقيقة واحدة.
تستكشف الشركة إمكانية إضافة مكثف فائق مخصص للرياضات الميكانيكية إلى البطاريات لتقليل وقت الشحن بشكل كبير. وفقًا للطلب، سيساعد ربط سيارة سوبركار هجينة بسعة تزيد عن 20kWh بنظام قائم على البطاريات على التغلب على بعض العيوب الرئيسية لكلا النظامين.
تقدّر BMW أن “للعميل الذي يرغب في قيادة السيارة على حلبة السباق، قد توفر هذه التقنية فرصة للقيادة المستمرة عند الحدود الفيزيائية مع توقفات قصيرة.”
في الوقت نفسه، تستخدم مجموعة فولكس فاجن بالفعل مكثفًا فائقًا في لامبورغيني سيان. يخزن المكثف الفائق الطاقة الكهربائية، التي تُغذى بعد ذلك إلى محرك كهربائي. يحتوي سيان على محرك بقدرة 25kW مدمج في علبة التروس لتوفير دفعة إلكترونية إلى محرك V12 سعة 6.5 لتر بقوة 577kW أو لتشغيله بالكامل بالكهرباء أثناء المناورات منخفضة السرعة.
شركات مبتكرة في المجال
حجم سوق المكثفات الفائقة العالمي يبلغ مليارات الدولارات، مدفوعًا بالطلب المتزايد على حلول تخزين الطاقة المستدامة والفعّالة. وبالتالي، تعمل العديد من الشركات، مثل شركة باناسونيك وسكيليتون تكنولوجيز، على تحسين التقنية.
اسم بارز في هذا المجال هو شركة AVX، التي استحوذت عليها شركة كيوكيرا اليابانية لتصنيع الإلكترونيات في عام 2020، وبالتالي توقفت أسهم AVX عن التداول في بورصة نيويورك. في الوقت نفسه، تُتداول أسهم كيوكيرا في سوق OTC (KYOCF:OTCPK) بسعر 10.70 دولار، مما يجعل قيمتها السوقية 15.85 مليار دولار. وتدفع عائد توزيعات بنسبة 3.12٪.
تُعرف شركة KEMET أيضًا بتقديم مجموعة واسعة من المكثفات الفائقة ذات قدرات عالية الأداء يمكن استخدامها كبطاريات ثانوية عند تطبيقها في دائرة DC. وفقًا لموقعها الرسمي، فإن الأجهزة مناسبة بشكل أفضل للاستخدام في تطبيقات DC منخفضة الجهد. كانت في الأصل شركة أمريكية طرحت أسهمها في بورصة نيويورك عام 1990، وتم الاستحواذ عليها من قبل شركة ياجيو التايوانية في عام 2020.
تُعد Maxwell Technologies مصنعًا بارزًا آخر للمكثفات الفائقة. استحوذت عليها شركة تسلا في عام 2019، ثم باعتها إلى UCAP Power في عام 2021. على الرغم من بيع Maxwell، احتفظت شركة السيارات الكهربائية وتكنولوجيا البطاريات ذات القيمة السوقية 817.34 مليار دولار بعملية تصنيع الأقطاب الجافة، المستندة إلى تقنية المكثفات الخاصة بها. أسهم TSLA منخفضة حاليًا بأكثر من 37٪ منذ بداية العام وتُتداول بسعر 248.80 دولار.
ثم هناك شركة CAP-XX الأسترالية، التي تصنع مكثفات فائقة رقيقة ومقعرة للاستخدام في الأجهزة المحمولة للمستهلكين، والإلكترونيات التجارية والصناعية، وتطبيقات الطاقة النظيفة. تُدرج في سوق AIM لبورصة لندن.
تتميز مكثفات CAP-XX الفائقة بكثافة طاقة عالية، جهد خلية مرتفع، وتيار تسرب منخفض جدًا. بفضل هذه المكثفات، يمكن للمصنعين تقليل حجم البطارية، وزنها، وتكلفتها، وعدد وتكلفة المكونات المستخدمة، وتأثيرها البيئي.
الخلاصة
بينما حظيت البطاريات بالاهتمام، يكتسب المكثف الفائق زخمًا حيث يصبح أحد المكونات الأكثر حيوية في نظام الطاقة العالمي. فبعد كل شيء، يمكنه تقديم كفاءة عالية، عمر دورة طويل، وتوصيل طاقة فوري.
حاليًا، تُعد المكثفات الفائقة مكملة في قطاع تخزين الطاقة لتطبيقات مثل الإلكترونيات الاستهلاكية، تنعيم الطاقة المتجددة، السيارات الكهربائية الهجينة، والطاقة الاحتياطية، التي تتطلب دورات شحن وتفريغ سريعة وعمر تشغيلي طويل.
إذن، لا يزال اعتماد المكثفات الفائقة على نطاق أوسع مقيدًا بالتكلفة، والمواد، والقلق البيئي. ومع ذلك، فإن الأساليب مثل البوالين الحيوية المستندة إلى صمغ الشجرة تواجه هذه التحديات، مما يشير إلى مستقبل واعد للمكثفات الفائقة. لا يزال التحول إلى السوق سيتطلب وقتًا، ولكن بمجرد تسارعه، يمكن أن تصبح المكثفات الفائقة سائدة وتلعب دورًا أساسيًا في أنظمة الطاقة المستدامة.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم البطاريات.
الدراسات المشار إليها:
1. Lee, S., Park, J. Y., Yoon, H., Park, J., Lee, J., Hwang, B., Padil, V. V. T., Cheong, J. Y., & Yun, T. G. (2025). مكثف فائق طويل الأمد مع واجهة قطب-إلكتروليت مستقرة بفضل مادة مضافة إلكتروليتية بوالين حيوي متقن. Energy Storage Materials, 67, 104195. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104195
2. Chang, J. H., Pin, M. W., Msalilwa, L. R., Shin, S. H., Han, C., Yu, H., Chandio, Z. A., Padil, V. V. T., Kim, Y., & Cheong, J. Y. (2024). مواد ربط صمغية حيوية قابلة للذوبان في الماء لأقطاب الجرافيت الطبيعية لبطاريات الليثيوم أيون. Journal of Electroanalytical Chemistry, 967, 118467. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2024.118467
3. Han, Y., Yoon, H., Cheong, J. Y., & Hwang, B. (2025). كربون نشط مستمد من مادة عضوية لمكثف ورق توت العليق الصديق للبيئة. International Journal of Energy Research, 2025, 8791702. https://doi.org/10.1155/er/8791702
4. Yao, L., Koripally, N., Shin, C., وآخرون. (2025). هندسة توجيه الإلكترون-تبلور وتنشيط السطح في مكثفات أيون الزنك ذات نطاق درجة حرارة واسع. Nature Communications, 16, 3597. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58857-5
5. Hashemzadeh, S. M., Khorshidi, A., & Arvand, M. (2025). هندسة الأنيونات في أكسيد الكوبالت الليثيوم لتطبيقها في مكثفات فائقة عالية الأداء. Scientific Reports, 15, 10064. https://doi.org/10.1038/s41598-025-95338-7
