مفهوم جديد للبطاريات منخفضة التكلفة – مصنوعة من مواد وفيرة وغير مكلفة
يمكن لبطارية الألومنيوم والكبريت، المصنوعة من مواد غير مكلفة وفيرة، أن توفر تخزينًا احتياطيًا منخفض التكلفة لمصادر الطاقة المتجددة.
نظرًا لأنه يتم إنشاء منشآت أكبر من أي وقت مضى لأنظمة طاقة الرياح والطاقة الشمسية في جميع أنحاء العالم، فإن الحاجة تتزايد بسرعة لأنظمة احتياطية اقتصادية واسعة النطاق لتوفير الطاقة عندما يكون الهواء هادئًا وتغيب الشمس.
لا تزال بطاريات الليثيوم أيون اليوم باهظة الثمن بالنسبة لمعظم هذه التطبيقات. تتطلب الخيارات الأخرى مثل ضخ المياه طبوغرافيا معينة ليست متاحة دائمًا.
الآن، طور العلماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأماكن أخرى نوعًا جديدًا من البطاريات، مصنوعة بالكامل من مواد وفيرة وغير مكلفة، يمكن أن تساعد في سد هذه الفجوة.
تم وصف بنية البطارية الجديدة، التي تستخدم الألومنيوم والكبريت كمواد قطب ككهربائي،مع إلكتروليت ملح منصهر بينهما، اليوم (24 أغسطس 2022) في مجلة Nature .
كتب البحث الأستاذ دونالد سادواي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إلى جانب 15 آخرين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وفي الصين وكندا وكنتاكي وتينيسي.
يوضح سادواي ، الأستاذ الفخري لجون إف إليوت في كيمياء المواد: “أردت أن أبتكر شيئًا أفضل، وأفضل بكثير، من بطاريات أيونات الليثيوم للتخزين الثابت صغير الحجم، وفي النهاية [لاستخدامات] السيارات”.
إلى جانب كونها باهظة الثمن، تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على إلكتروليت قابل للاشتعال، مما يجعلها أقل من مثالية للنقل.
لذلك، بدأ Sadoway دراسة الجدول الدوري، بحثًا عن معادن رخيصة وفيرة في الأرض والتي قد تكون قادرة على استبدال الليثيوم.
يقول إن الحديد، المعدن المهيمن تجاريًا، لا يمتلك الخصائص الكهروكيميائية المناسبة لبطارية فعالة.
ومع ذلك، فإن ثاني أكثر المعادن وفرة في السوق – وفي الواقع أكثر المعادن وفرة على وجه الأرض – هو الألومنيوم. “لذا، قلت، حسنًا، دعونا نجعل ذلك مجرد نهاية. سيكون من الألومنيوم “، كما يقول.
المكونات الثلاثة الأساسية للبطارية هي: اليسار، الألومنيوم؛ المركز، الكبريت والحق، بلورات الملح الصخري. جميعها مواد متوفرة محليًا ووفرة في الأرض ولا تتطلب سلسلة إمداد عالمية. الائتمان: ريبيكا ميلر
ثم جاء تحديد ما يجب إقران الألمنيوم به للقطب الكهربي الآخر، ونوع المنحل بالكهرباء الذي يجب وضعه بينهما لحمل الأيونات ذهابًا وإيابًا أثناء الشحن والتفريغ.
الكبريت هو الأرخص من بين جميع المواد غير المعدنية، لذلك أصبح مادة القطب الكهربائي الثانية.
بالنسبة للإلكتروليت ، “لن نستخدم السوائل العضوية المتطايرة والقابلة للاشتعال” التي أدت في بعض الأحيان إلى حرائق خطيرة في السيارات والتطبيقات الأخرى لبطاريات الليثيوم أيون، كما يقول سادواي.
لقد جربوا بعض البوليمرات ولكن انتهى بهم الأمر إلى النظر إلى مجموعة متنوعة من الأملاح المنصهرة التي لها نقاط انصهار منخفضة نسبيًا – بالقرب من نقطة غليان الماء، مقابل ما يقرب من 1000 درجة فهرنهايت (538 درجة مئوية).) لكثير من الأملاح.
يقول: “بمجرد أن تصل إلى درجة حرارة قريبة من الجسم، يصبح من العملي” صنع بطاريات لا تتطلب عزلًا خاصًا وإجراءات مقاومة التآكل.
المكونات الثلاثة التي انتهى بهم الأمر بها رخيصة ومتوفرة بسهولة. الأول هو الألمنيوم، لا يختلف عن رقائق الألومنيوم في السوبر ماركت.
ثانيًا، الكبريت، والذي غالبًا ما يكون ناتجًا نفايات من عمليات مثل تكرير البترول. وأخيرًا، الأملاح المتاحة على نطاق واسع. يقول سادواي: “المكونات رخيصة، والشيء آمن – لا يمكن أن يحترق”.
أظهر الفريق في تجاربهم أن خلايا البطارية يمكن أن تتحمل مئات الدورات بمعدلات شحن عالية بشكل استثنائي، بتكلفة متوقعة لكل خلية تبلغ حوالي سدس تكلفة خلايا الليثيوم أيون المماثلة.
أظهروا أن معدل الشحن كان يعتمد بشكل كبير على درجة حرارة العمل، حيث أظهرت 110 درجة مئوية (230 درجة فهرنهايت) معدلات أسرع 25 مرة من 25 درجة مئوية (77 درجة فهرنهايت).
والمثير للدهشة أن الملح المنصهر الذي اختاره الفريق كإلكتروليت لمجرد نقطة انصهاره المنخفضة اتضح أنه يتمتع بميزة عرضية.
تتمثل إحدى أكبر المشكلات في موثوقية البطارية في تكوين التشعبات، وهي عبارة عن مسامير ضيقة من المعدن تتراكم على قطب كهربائي وتنمو في النهاية لتلامس القطب الآخر، مما يتسبب في حدوث دائرة قصر ويعيق الكفاءة. لكن هذا الملح بالذات جيد جدًا في منع هذا الخلل.
يقول سادواي إن ملح الكلورو ألومينات الذي اختاروه “تقاعد بشكل أساسي من هذه التشعبات الجامحة، مع السماح أيضًا بشحن سريع للغاية”.
“لقد أجرينا تجارب بمعدلات شحن عالية جدًا، وشحننا في أقل من دقيقة، ولم نفقد خلايا أبدًا بسبب تقصير التغصنات.”
“إنه أمر مضحك”، كما يقول، لأن التركيز كله كان على إيجاد ملح مع أدنى نقطة انصهار، ولكن تبين أن الكلورو ألومينات التي انتهى بها الأمر كانت مقاومة لمشكلة التقصير.
يقول سادواي: “إذا بدأنا بمحاولة منع القصور الشجيري ، فلست متأكدًا من أنني كنت سأعرف كيفية متابعة ذلك”. “أعتقد أنها كانت صدفة بالنسبة لنا.”
علاوة على ذلك، لا تحتاج البطارية إلى مصدر حرارة خارجي للحفاظ على درجة حرارة التشغيل. يتم إنتاج الحرارة بشكل طبيعي كهروكيميائي عن طريق شحن البطارية وتفريغها.
“أثناء الشحن، تولد الحرارة، وهذا يمنع الملح من التجمد. وبعد ذلك، عندما يتم تفريغه، فإنه يولد أيضًا حرارة، “يقول سادواي.
في التركيب النموذجي المستخدم لتسوية الأحمال في منشأة لتوليد الطاقة الشمسية، على سبيل المثال، “ستخزن الكهرباء عندما تكون الشمس مشرقة، وبعد ذلك ستسحب الكهرباء بعد حلول الظلام، وستفعل ذلك كل يوم.
وهذا الشحنة – الخمول – التفريغ – الخمول كافٍ لتوليد حرارة كافية لإبقاء الشيء في درجة حرارة. “
هذه التركيبة الجديدة للبطارية، كما يقول، ستكون مثالية للتركيبات ذات الحجم المطلوب تقريبًا لتشغيل منزل واحد أو شركة صغيرة إلى متوسطة، وتنتج في حدود بضع عشرات من الكيلوواط / ساعة من سعة التخزين.
بالنسبة للمنشآت الأكبر، التي تصل إلى نطاق من عشرات إلى مئات ميغاواط ساعة، قد تكون التقنيات الأخرى أكثر فعالية، بما في ذلك البطاريات المعدنية السائلة التي طورها Sadoway وطلابه منذ عدة سنوات والتي شكلت الأساس لشركة فرعية تسمى Ambri ، والتي تأمل لتسليم منتجاتها الأولى خلال العام المقبل.
لهذا الاختراع، حصل Sadoway مؤخرًا على جائزة المخترع الأوروبي لهذا العام.
يقول سادواي إن الحجم الأصغر لبطاريات الألومنيوم والكبريت سيجعلها عملية للاستخدامات مثل محطات شحن السيارات الكهربائية.
ويشير إلى أنه عندما تصبح السيارات الكهربائية شائعة بدرجة كافية على الطرق بحيث ترغب العديد من السيارات في شحنها مرة واحدة، كما يحدث اليوم مع مضخات وقود البنزين، “إذا حاولت القيام بذلك باستخدام البطاريات وأردت شحنًا سريعًا، فإن التيار الكهربائي يكون فقط عالية جدًا بحيث لا يكون لدينا هذا القدر من التيار الكهربائي في الخط الذي يغذي المنشأة “.
لذا فإن وجود نظام بطارية مثل هذا لتخزين الطاقة ثم تحريرها بسرعة عند الحاجة يمكن أن يلغي الحاجة إلى تركيب خطوط طاقة جديدة باهظة الثمن لخدمة هذه الشواحن.
التكنولوجيا الجديدة هي بالفعل الأساس لشركة فرعية جديدة تسمى Avanti ، والتي قامت بترخيص براءات الاختراع للنظام، والتي شارك في تأسيسها Sadoway و Luis Ortiz ’96 ScD ’00، الذي كان أيضًا أحد مؤسسي Ambri.
يقول سادواي: “أول طلب عمل للشركة هو إثبات أنها تعمل على نطاق واسع”، ثم إخضاعها لسلسلة من اختبارات الضغط، بما في ذلك إجراء مئات من دورات الشحن.
هل ستعرض البطارية التي تعتمد على الكبريت لخطر إنتاج الروائح الكريهة المرتبطة ببعض أشكال الكبريت؟ يقول سادواي إنها ليست فرصة. “رائحة البيض الفاسد موجودة في الغاز، كبريتيد الهيدروجين.
هذا عنصر كبريت، وسيتم وضعه داخل الخلايا “. إذا حاولت فتح خلية أيونات الليثيوم في مطبخك، كما يقول (ويرجى عدم تجربة ذلك في المنزل!)، “ستتفاعل الرطوبة في الهواء وستبدأ في توليد كل أنواع الأخطاء الغازات كذلك.
هذه أسئلة مشروعة، لكن البطارية مغلقة، إنها ليست وعاءً مفتوحًا. لذلك لن أشعر بالقلق حيال ذلك “.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
