تصلح لمحطات الطاقة المتجددة.. ابتكار بطاريات جديدة تعمل بأيونات الأكسجين
31/3/2023
طور فريق من الباحثين في جامعة فيينا للتكنولوجيا (TU Wien) بطارية جديدة تعمل بالأكسجين، تدعى بطارية “أيون الأكسجين” (Oxygen-ion)، لتكون بديلة عن بطاريات “الليثيوم أيون” (Lithium-ion) التي تستخدم حاليا على نطاق واسع.
وحسب البيان الصحفي الصادر من الجامعة يوم 21 مارس/آذار الجاري، فإن البطارية الجديدة لها عدة مميزات، أهمها أنها مصنوعة من المواد الخزفية (Ceramic materials)، وأنها غير قابلة للاحتراق، كما أن عمرها الافتراضي طويل للغاية، على عكس بطاريات الليثيوم التقليدية.
من ناحية أخرى، يتوقع الخبراء أن تكون بطارية أيون الأكسجين الحل المناسب لتخزين الطاقة المتجددة بشكل فعال، وذلك لكبر حجمها، وهو ما لا يجعلها صالحة للاستخدام في الهواتف الذكية والسيارات، على عكس بطاريات الليثيوم أيون.
المواد الخزفية حل جديد
يقول البيان الصحفي إن بطاريات الليثيوم أيون تستخدم في تشغيل عدد من الوسائل والمعدات، ابتداء من السيارات الكهربائية إلى الهواتف الذكية.
ولكن هناك بعض العيوب في هذه البطاريات، أبرزها أنها قابلة للاشتعال ومصنوعة من مواد باهظة الثمن يتم استخراجها باستخدام وسائل ضارة بالبيئة، إضافة إلى أنها تتحلل بمرور الوقت، كما أن قدرتها على تخزين الطاقة تقل تدريجيا.
ويشير البيان إلى أن الجوانب السلبية في بطاريات الليثيوم أيون فتحت مساحة كبيرة للابتكار في مجال تخزين الطاقة، ومنها تطوير بطارية أيون الأكسجين التي تعتمد على المواد الخزفية الصديقة للبيئة التي ستساعد في حل بعض من تلك الأمور السلبية.
يقول ألكسندر شميد من معهد التقنيات الكيميائية والتحليلات في جامعة فيينا للتكنولوجيا “لدينا كثير من الخبرة في مجال المواد الخزفية التي يمكن استخدامها لخلايا الوقود، وهو ما جعلنا نفكر في المدى الذي يمكن أن تكون فيه هذه المواد مناسبة لصنع البطاريات انطلاقا من أنها غير قابلة للاشتعال، ومن ثم فإن حوادث الحريق التي تحدث مرارا وتكرارا مع بطاريات الليثيوم أيون، ستكون مستبعدة عمليا”.
من جهة أخرى، يقول توبياس هوبير “في هذا الصدد يعد استخدام مواد السيراميك ميزة كبيرة لأنه يمكن تكييفها جيدا، إذ يمكننا استبدال بعض العناصر التي يصعب الحصول عليها بأخرى بسهولة نسبيا”.
كيف تعمل بطاريات أيونات الأكسجين؟
وفقا للدراسة المنشورة في دورية “أدفانسيد إنيرجي ماتيريالز” (Advanced Energy Materials)، فإن المبدأ الأساسي لعمل بطاريات أيونات الأكسجين مشابه جدا لبطارية الليثيوم أيون، إلا أن العمر الافتراضي غير متشابه لكلا النوعين من البطاريات.
ويوضح شميد قائلا إن “البطاريات الجديدة تعتمد في إنتاج الطاقة على امتصاص وتحرير أيونات الأكسجين سالبة الشحنة المزدوجة، إذ إنه عندما يتم تطبيق جهد كهربائي تنتقل أيونات الأكسجين من مادة خزفية إلى أخرى، وبعد ذلك يمكن جعلها تهاجر مرة أخرى (تقفز ذهابا وإيابا بين سطحين)، وبالتالي تولد تيارا كهربائيا على الأسطح المصنوعة من السيراميك”.
وتعد ميزة طول عمر بطاريات أيونات الأكسجين الميزة الأكثر أهمية لتقنية البطاريات الجديدة.
وفي هذا الصدد، يقول شميد: “في عديد من بطاريات الليثيوم، هناك مشكلة تتمثل في عدم قدرة حاملات الشحن في وقت ما على الحركة، ومن ثم لم يعد من الممكن استخدامها لتوليد الكهرباء، حيث تقل سعة البطارية بعد عدة دورات شحن، لكن بطارية أيون الأكسجين يمكن تجديدها بدون أي مشاكل، فإذا فُقد الأكسجين بسبب التفاعلات الجانبية، فيمكن ببساطة تعويض الفقد عن طريق الأكسجين من الهواء المحيط”.
تخزين الطاقة المتجددة
يقول البيان الصحفي إن البطاريات الجديدة غير مخصصة للهواتف الذكية أو السيارات الكهربائية، لأنها تحتوي فقط على نحو ثلث كثافة الطاقة التي يستخدمها المرء من بطاريات الليثيوم أيون، ولأنها تعمل في درجات حرارة تتراوح بين 200 و400 درجة مئوية، لهذا فإن البطارية الجديدة مناسبة للاستخدام في تخزين الطاقة المتجددة.
وفي هذا الشأن، يقول شميد “إذا كنت بحاجة إلى وحدات التخزين الكبيرة التي تحتفظ مؤقتا بالطاقة من الشمس أو الرياح، على سبيل المثال، يمكن أن تكون بطارية أيون الأكسجين حلا ممتازا”.
ويوضح شميد أنه “إذا قمت ببناء مبنى كامل مليء بوحدات تخزين الطاقة، فإن انخفاض كثافة الطاقة وزيادة درجة حرارة التشغيل لا يلعبان دورا حاسما، ولكن نقاط قوة بطاريتنا ستكون مهمة بشكل خاص، وهي تكمن في العمر الافتراضي الطويل للبطارية، وكذلك إمكانية إنتاج كميات كبيرة من هذه المواد المكونة للبطاريات من دون عناصر نادرة وثمينة، إضافة إلى عدم وجود خطر الحريق عند استخدامها”.
