تطوير بطارية مصنوعة من الألومنيوم تشحن في أقل من دقيقة

مميزات البطارية 

طور  علماء من  من جامعة « ستانفورد » في الولايات المتحدة الأميركية، بطاريات جديدة مصنوعة من مادة الألمنيوم بدل مادة الليثيوم التي تحتوي عليها معظم البطاريات المستعملة حاليا . تتميز هذه البطاريات بمجموعة من الخصائص والمميزات أهمها : أنها سريعة الشحن حيث يمكن إعادة شحن البطارية في أقل من دقيقة وتعمل بكفاءة عالية حتى بعد إعادة الشحن لألاف المرات  ، رخيصة الثمنة لكون الألومنيوم أكثر المعادة وفرة على سطح القشرة الأرضية ، آمنة  حيث يمكن  إستخدمها لفترة طويلة مقارنة ببطاريات الليثيوم لكون الألومينيوم ضعيف التفاعل ويكون خطر إشتعال البطارية أمرا مستبعدا  ، سعة تخزينية عالية لكون الألمنيوم المتأين يحرر ثلاثة إلكترونات مقارنة بالليثيوم المتأين والذي يحرر الكتروناً واحداً فقط، وهذا يجعل البطارية أكثر استيعاباً للشحن   ، مرنة حيث   أشار هونغ جي داي، بروفيسور الكيمياء المشرف على الفريق، إلى أن المرونة التي تمتاز بها البطارية ستمكّن من استخدامها في العديد من الأجهزة الإلكترونية مستقبلاً، حيث يمكن ثنيها وطيها بسهولة تامة.

وذكر الباحثون، في مقال نشر على موقع الجامعة، أن هذه البطارية تستطيع الصمود لأكثر من 7500 دورة شحن دون أن تفقد فاعليتها، مقارنة بـ1000 دورة فقط في البطاريات المستعملة حالياً.

كما نُشرت دراسة تطوير البطارية في دورية « الطبيعة »

ويقول العلماء إن للبطارية الجديدة مزايا تفوق بطاريات الليثيوم، المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية كالهواتف الذكية، وكذلك البطاريات القلوية التقليدية.

ويقول هونغجي داي، كبير الباحثين في الدراسة من جامعة ستانفورد بولاية كاليفورنيا الأمريكية « طورنا بطارية ألومنيوم يمكن إعادة شحنها، كبديل لأجهزة الشحن الحالية مثل البطاريات القلوية الملوثة للبيئة، وبطاريات أيونات الليثيوم التي تنفجر بشكل متكرر ».

وأضاف « بطاريتنا الجديدة لن تشتعل، حتى لو ثقبتها ».

المبدأ

 تعمل بطاريات الألمنيوم بنفس المبدأ الذي تعمل به بطاريات الليثيوم، إذ تتأكسد ذرات الفلز في قطب الأنود عند تفريغ الشحن محررة الإلكترونات في الدائرة الخارجية، وعند إعادة الشحن فإن الإلكترونات تعود إلى قطب الأنود من جديد.

وعلى مدار سنوات، كان الألومنيوم محل أنظار المهندسين العاملين في مجال البطاريات، بسبب وزنه الخفيف وسعره الزهيد. لكن لم يتوصلوا من قبل إلى منتج حقيقي.

العوائق 

ولكن بطاريات الألمنيوم كانت تعاني من عدد من المشاكل، منها أن فولتية التفريغ غالباً ما تكون منخفضة بحدود 0.55 فولت وقد تعطل العديد من أقطاب الكاثود التي تم تجربتها مع الألمنيوم خلال دورات الشحن المتكررة، والذي سبب في خفض عمر هذا النوع من البطاريات إلى 85% أو أقل خلال 100 دورة.

أما اليوم، فقد كشف هونكجي داي Hongjie Dai وزملائه في جامعة ستانفورد في كاليفورنيا النقاب عن نموذج أولي لبطارية ذات كاثود مصنوع من الكارفيت فيه حل لهذه المشاكل.

استخدم فريق البحث كلوريد الألمنيوم الفلزي لتكوين Al₂Cl₇^–، وعند دراسة كيمياء الكرافيت ككاثود اكتشف العلماء أن أنيون AlCl₄^–يمكن إقحامه واسترداده من بين طبقات الكرافيت.

تعاني أقطاب الكرافيت الكاثودية الطبيعية من مشكلتين: الأولى: انخفاض سرعة الشحن والتفريغ القصوى بسبب انتشار أيونات AlCl₄^–الكبيرة بين السطوح الذرية. والأسوأ من ذلك، أن انتشار هذه الأيونات أدى إلى توسع الكرافيت خمسين مرة، ممزقاً إياه إلى رقائق ذرية طليقة.

الحل 

جاء حل هاتين المشكلتين عن طريق رغوة الكرافيت التي أنتجها الفريق حيث يتم ترسيب الكاربون على النكيل ثم إذابة الفلز في حامض لإنتاج بنية كاربونية ذات مساحات ذرية كبيرة تسمح لأيونات AlCl₄^– بالدخول والخروج بسرعة عالية دون حدوث أضرار تذكر.

وباستخدام رغوة الكاربون الكاثودية وأقطاب جافة جداً، تمكن الباحثون من إنتاج نموذج أولي لبطارية ذات فولتية تفريغ تقدر بـ 2 فولت تقريباً، وذات سعة طاقة مشابهة لبطاريات الرصاص والنيكل

وأظهرت البطارية أداءا أفضل عند تحويل الكاثود من مادة الغرافيت إلى رغوة اسفنجية، تملأ الكثير من الفراغات، مما يسهل على أيونات سائل التوصيل الوصول إلى الغرافيت، فتعمل البطارية بشكل أسرع.

وعندما يفرغ شحن البطارية، يذوب الألومنيوم المحيط بالآنود، في حين تنزلق الأيونات التي تحتوي على الألومنيوم لتملأ الفراغات بين طبقات الغرافيت المكونة للكاثود. وعند إعادة شحن البطارية، تنعكس هذه العملية، ويعاد ترسيب الألومنيوم على الآنود.

ويمكن تكرار عملية الشحن أكثر من 7500 مرة، دون أن تقل كفاءة البطارية، لتتفوق بذلك على بطاريات الليثيوم بالعديد من مرات الشحن. كما تفوق أية تصميمات تجريبية للألومنيوم بمئات المرات.

وتبلغ كمية الطاقة التي توفرها البطارية فولتين، وهو أفضل ما توصلت إليه الأبحاث في مجال بطاريات الألومنيوم. كما أنها تفوق البطاريات القلوية، التي توفر 1.5 فولت. لكنها تتخلف عن بطاريات الليثيوم المستخدمة في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.

ويقول داي « بطاريتنا تنتج حوالي نصف قوة الفولت التي تنتجها بطاريات الليثيوم. لكن تطوير مادة الكاثود قد يزيد من الفولت، وكثافة الطاقة ».

الآفاق

ويعقد الفريق البحثي الكثير من الآمال على التصميم الجديد. وبالفعل، عند تجربة ربط بطاريتين وتوصيلهما بشاحن، أمكن إعادة شحن هاتف ذكي خلال دقيقة.

كما أشاروا إلى أن البطارية ستكون مفيدة مع الشاشات المرنة، وهي إحدى المقترحات للجيل القادم من الإلكترونيات.

وأكد داي على أن الفولت هو العيب الوحيد في البطارية « فبطاريتنا بها كل ما يمكن تمنيه في بطارية؛ أقطاب رخيصة، وآمنة، وسريعة الشحن، ومرنة، ودورة حياة أطول. أشهد الأيام الأولى لجيل جديد من البطاريات، وهو أمر مثير ».

وقالت كلير غراي، وهي متخصصة في كيميائية المواد بجامعة كامبريدج، إن هذا البحث « بمثابة نقلة » للبطاريات الألومنيوم.

وأضافت أن تحويل النموذج إلى منتج تجاري أمر شديد الصعوبة، مشيرة إلى أن إحدى المشكلات هي أن ضغط الأيونات بين ألواح الغرافيت قد يؤدي إلى تمدد وانكماش المادة، وهو « أمر سيئ بالنسبة للبطارية ».

كما قالت إنه « كلما زاد حجم ألواح الغرافيت، تزيد حاجة الأيونات إلى التمدد بداخلها، فتصبح البطارية أبطأ. وقد يكون السبب في قوة أداءها الحالي هو أن ألواح الغرافيت صغيرة جدا ».

لكنها أبدت إعجابها بالفكرة وطريقة عرضها، واعتبرتها بداية « لما يمكن أن يحققه هذا الفرع من الكيمياء ».

كما يرى علماء آخرون إن هذه الدراسة مثيرة للاهتمام، لكنها ما زالت في مراحل مبكرة جدا.

المصادر : 

المصدر 1 ، المصدر 2 ، المصدر 3 ، المصدر 4