انفجار البطاريات وحلولها الكيميائية الواعدة

استمع على ساوندكلاود 🎧

بدعم من SNSF مؤسسة العلوم الوطنية السويسرية" ابتكرت مجموعة من العلماء حديثًا بطاريات من كهرليات جديدة من الصوديوم و المغنيزيوم قابلة للشحن، إذ هدفت المجموعة إلى إيجاد بديل من تقنية شوارد الليثيوم.

يهدف البحث إلى إيجاد مواد جديدة يمكن استخدامها في صناعة البطاريات القابلة للشحن، وإيجاد بديل من بطاريات الليثيوم المستخدمة حاليا.

تمتلك بطاريات الليثيوم عددًا من العيوب، كصعوبة الحصول على المادة الخام المصنعة لهذه البطاريات (الليثيوم) إضافة إلى مشكلات السلامة المتعددة، التي تنتج بشكل أساسي من استخدام مكونات سائلة قابلة للاشتعال في هذه البطاريات ما نتج منه تكرار حوادث انفجار الهواتف النقالة.

وأظهرت البحوث التي أجراها مؤخرا أرندت ريمهوف من المختبرات الاتحادية السويسرية لعلوم وتكنولوجيا المواد إمكان استخدام عنصري الصوديوم والمغنيزيوم في تطوير تقنية بديلة تعتمد حصرا على العناصر الصلبة.

وقد أنتج فريقه مكونات البطارية التجريبية على أساس هذه المعادن.

1- تغيير المادة:

طور الباحثون السويسريون بطاريات بخلايا مؤلفة من مكونات صلبة خلافا للبطاريات المؤلفة من كهرليات سائلة (التصميم الذي واجه كثيرًا من المشكلات التقنية)، يجب أن يُسمح للأيونات (سواء كانت الليثيوم أم الصوديوم أم المغنيزيوم) بالانتقال في الوسط الصلب، من خلال الانتقال من قطب واحد إلى الآخر داخل البطارية، الأيونات (ذات الشحنة الموجبة) تسهل عملية نزوح الإلكترونات (ذات الشحنة السالبة)، ومن ثَمَّ تصريف تيار كهربائي من خلال دائرة خارجية.

طور الباحثون كهرليات صلبة ذات بنية كريستالية لتسهيل تعويض الكهرليات، و ذلك باستبدال الصوديوم أو المغنيزيوم بالليثيوم، قام فريق أرندت ريمهوف بتعديل البنية البلورية واستخدام مكونات جديدة وعمليات تصنيع جديدة.

2- الصوديوم "مادة رخيصة"

طور فريق أرندت ريمهوف إلكتروليات صلبة تسهل عملية انتقال جيدة لشوارد الصوديوم بالدرجة 20 مئوية، و النقطة آنفة الذكر هي نقطة في غاية الأهمية، لأن الأيونات تحتاج إلى مصدر حراري حتى تستطيع التحرك، وإن تحفيز هذا التفاعل في درجة حرارة الغرفة يشكل تحديًا تقنيًا. كهرليات الصوديوم غير قابلة للاشتعال و مستقرة كيميائيا حتى درجة حرارة 300 مئوية. ما يعالج المخاوف المتعلقة بالسلامة المرتبطة ببطاريات الليثيوم.

هناك مصادر احتياطية كبيرة للصوديوم بخلاف الليثيوم، هو واحد من مكونين يؤلفان ملح الطعام، "التوافر هو نقطتنا الأساسية" يقول ليو دوتشين (المؤلف الرئيس لورقة البحث)، ومع ذلك، فإنه يخزن طاقة أقل من كتلة مماثلة من الليثيوم، وبذلك يمكن أن يثبت أنه سيشكل حلا جيدا إذا كان حجم البطارية لا يشكل مانعًا لتطبيقه.

المغنزيوم "البديل الأفضل و الأكثر تعقيدًا"

طور الفريق ذاته كهرليات مؤلفة من عنصر الصوديوم الصلب، أجريت بعض البحوث في هذا المجال حتى الوقت الراهن، في الحقيقة إنه أصعب كثيرًا وضع هذا العنصر ضمن طور متحرك و لكن هذا لا يعني أنه أقل جذبًا للاستخدام.

فهو عنصر متوفر بكثرة، خفيف الوزن، و لا يسبب خطر انفجار، والأهم من ذلك أن عنصر المغنيزيوم يمتلك شاردتين موجبتين بينما الليثيوم يمتلك شاردة واحدة، و هذا بشكل أساسي يعني أن بطاريات المغنيزيوم قادرة على تخزين ضعف الطاقة التي تخزنها بطاريات الليثيوم ذات الحجم نفسه.

بعض الكهرليات التجريبية استُخدِمت سابقا لتحريض شوارد المغنيزيوم على التحرك، و لكن في درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 400 درجة مئوية. الكهرليات التي استُخدِمت من الباحثين السويسريين كانت قد سجلت توصيلات مشابهة عند درجة الحرارة 70 درجة مئوية.

يقول إلسا رودرن الذي قاد التجارب العلمية "هذا بحث رائد ودليل واعد، ما زلنا بعيدين عن التوصل إلى نموذج كامل وعملي، لكننا اتخذنا أول خطوة مهمة نحو تحقيق هدفنا