بطاريات أكثر نظافة وصديقة للبيئة – تحطيم حدود تخزين الطاقة
بفضل الطفرة في مصادر الطاقة المتجددة، فإن العامل المحدد لثورة الطاقة هذه الأيام ليس إمدادات الطاقة بقدر ما هو تخزين الطاقة.
نحتاج إلى بطاريات أكثر نظافة وصديقة للبيئة لشحن سياراتنا ودراجاتنا الإلكترونية وأجهزتنا لفترة أطول.
إنه موقف مررنا به جميعًا. أنت مشغول ببعض المهام ويتحول لون الرمز المستطيل في الزاوية العلوية اليمنى من الشاشة إلى اللون الأحمر ويومض للإشارة إلى نفاد البطارية تقريبًا.
ومع ذلك، فإن مشاكل البطاريات تتجاوز هذا النوع من الإزعاج البسيط. تعد البطاريات عنصرًا حاسمًا في مستقبل الطاقة الخضراء لدينا، وإن كانت غير كاملة.
في المستقبل، من المتوقع أن يأتي جزء كبير من طاقتنا من مصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
ومع ذلك، نعلم جميعًا أن هناك أوقاتًا لا تهب فيها الرياح ولا تشرق الشمس. لموازنة العرض، نحتاج إلى تخزين فائض الكهرباء المولدة من مصادر الطاقة المتجددة، حتى نكون مستعدين لاستهلاكها.
تعد البطاريات الأفضل طريقة مهمة للقيام بذلك. إذا أردنا تشغيل الأساطيل المتصورة من السيارات الكهربائية وأجهزة التنقل، فسنحتاج إلى أعداد هائلة من البطاريات.
هناك مشكلة كبيرة مستمرة وهي أنه حتى أفضل البطاريات لديها مشاكل. على سبيل المثال، إحدى نقاط الخلاف الكبيرة مع خلايا أيونات الليثيوم هي أنها تستخدم الليثيوم كمكون رئيسي.
يتم استخراج هذا الملح. نظرًا لأن أوروبا لا تمتلك حاليًا أي احتياطيات كبيرة، فهي تعتمد على الواردات من عدد صغير فقط من الأماكن، مثل أستراليا وتشيلي.
المشاكل الأخرى مع بطاريات الليثيوم هي أنها باهظة الثمن، ولها سعة تخزين محدودة، وتفقد الأداء بعد الشحن المتكرر.
إذا أردنا تحسينها، نحتاج أولاً إلى فهم كيفية عملها. تحتوي بطاريات الليثيوم أيون التقليدية على ثلاث مكونات رئيسية.
هناك نوعان من المكونات الصلبة تسمى الأقطاب الكهربائية – الأنود والكاثود – والسائل الذي يسمى الإلكتروليت. عندما يتم تفريغ شحن البطارية، تتدفق الإلكترونات من القطب الموجب إلى القطب السالب لتشغيل أي جهاز متصل به.
تنتشر أيونات الليثيوم الموجبة عبر الإلكتروليت ، وتنجذب إلى الشحنة السالبة للكاثود. عندما يتم شحن البطارية، يتم عكس ذلك.
كثافة الطاقة
العملية برمتها عبارة عن تفاعل كهروكيميائي قابل للانعكاس. هناك العديد من النكهات لهذه العملية الأساسية مع أنواع مختلفة من المواد الكيميائية والأيونات المعنية.
هناك خيار معين يتم استكشافه بواسطة مشروع ASTRABAT وهو التخلص من السائل المنحل بالكهرباء وجعله صلبًا أو هلاميًا بدلاً من ذلك.
من الناحية النظرية، تتمتع بطاريات الحالة الصلبة هذه بكثافة طاقة أعلى، مما يعني أنها تستطيع تشغيل الأجهزة لفترة أطول.
يجب أن تكون أيضًا أكثر أمانًا وسرعة في التصنيع، نظرًا لأنها، على عكس بطاريات الليثيوم أيون النموذجية، لا تستخدم سائل إلكتروليت قابل للاشتعال.
“نحن بحاجة إلى مواصلة الاستثمار في البحث للتحقق من صحة الجيل القادم من البطاريات.”
– الدكتورة صوفي ميللي، استرابات
تعمل عالمة الكيمياء الكهربية الدكتورة صوفي مايلي في هيئة الطاقة الذرية والطاقات البديلة (CEA) في غرونوبل بفرنسا، وهي منسقة مشروع أسترابات.
تشرح أن بطاريات الحالة الصلبة القائمة على الليثيوم موجودة بالفعل. لكن مثل هذه البطاريات تستخدم مادة هلامية مثل الإلكتروليت وتعمل بشكل جيد فقط في درجات حرارة حوالي 60 درجة مئوية، مما يعني أنها غير مناسبة للعديد من التطبيقات.
قال الدكتور ميللي: “من الواضح أننا بحاجة إلى الابتكار في هذا المجال حتى نتمكن من مواجهة مشاكل تغير المناخ”.
تعمل هي وفريق شركائها على إتقان وصفة لبطارية ليثيوم أفضل الحالة الصلبة. تتضمن الوظيفة النظر في جميع أنواع المكونات المرشحة للبطارية وتحديد أي منها يعمل بشكل أفضل معًا.
يقول الدكتور ميللي إنهم حددوا الآن المكونات المناسبة ويعملون على إيجاد طرق لتوسيع نطاق تصنيع البطاريات.
أحد الأسئلة التي تخطط هي وفريقها للتحقيق فيها بعد ذلك هو، ما إذا كان سيكون من الأسهل إعادة تدوير الليثيوم وعناصر أخرى من بطاريات الحالة الصلبة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون النموذجية.
إذا كان الأمر كذلك، فقد يؤدي ذلك إلى زيادة إعادة تدوير الليثيوم وتقليل الاعتماد على الواردات.
يقدر الدكتور ميللي أنه إذا سارت الأبحاث على ما يرام، فإن بطاريات الليثيوم ذات الحالة الصلبة مثل تلك التي يعمل عليها ASTRABAT يمكن أن تدخل الاستخدام التجاري في السيارات الكهربائية بحلول عام 2030.
“لا أعرف ما إذا كانت هذه البطاريات الصلبة هي التي قال الدكتور ميللي “سيكون الابتكار المهم التالي للبطارية”.
“هناك الكثير من الحلول الممكنة الأخرى، مثل استخدام المنجنيز أو الصوديوم (بدلاً من الليثيوم). قد ينجح هؤلاء. لكننا بحاجة إلى مواصلة الاستثمار في البحث للتحقق من صحة الجيل القادم من البطاريات.
مشحونة إيجابيا
عندما يتعلق الأمر بتخزين الطاقة لأغراض تسهيل الإمداد بالشبكات الكهربائية، يجب أن تكون البطاريات موثوقة وذات سعة عالية، مما يعني ارتفاع تكلفة هذه البطاريات.
الليثيوم النادر ليس هو الخيار الأفضل. بدلاً من ذلك، يبحث مشروع HIGREEW عن نوع مختلف آخر من البطاريات ، يُعرف باسم خلية تدفق الأكسدة والاختزال.
المكونات الرئيسية لبطاريات تدفق الأكسدة والاختزال عبارة عن سائلين، أحدهما موجب الشحن والآخر مشحون سالبًا.
عندما تكون البطارية قيد الاستخدام، يتم ضخها في حجرة تُعرف باسم مكدس الخلايا، حيث يتم فصلها بواسطة غشاء منفذ ويتبادل الإلكترونات – مما يؤدي إلى تكوين تيار.
منسق المشروع هو الكيميائي الدكتور إدواردو سانشيز في CIC energiGUNE ، وهو مركز أبحاث بالقرب من بلباو في إسبانيا.
يوضح أن الكثير من بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال واسعة النطاق قيد التشغيل بالفعل في جميع أنحاء العالم وهي مصممة لتكون مستقرة، وتدوم حوالي 20 عامًا.
لكن هذه البطاريات الموجودة تستخدم الفاناديوم المذاب في حامض الكبريتيك، وهي عملية سامة ومسببة للتآكل. تعني متطلبات السلامة أنه يجب تصنيع هذه البطاريات بتكلفة كبيرة.
“أود أن أقول إن لدينا ازدهارًا هنا في أوروبا، حيث تعمل الكثير من الشركات على بطاريات التدفق.”
– الدكتور إدواردو سانشيز، HIGREEW
قال الدكتور سانشيز: “يمتلك الفاناديوم الكثير من نقاط القوة – إنه رخيص الثمن ومستقر”. “ولكن إذا حدث تسرب من إحدى هذه البطاريات، فهذا ليس جيدًا. يجب عليك تصميم الخزانات لتكون متينة للغاية “.
أقل سمية
يخطط مشروع HIGREEW لإنشاء بطارية تدفق الأكسدة والاختزال التي تستخدم مواد أقل سمية مثل المحاليل الملحية في المياه التي تخزن الأيونات التي أساسها الكربون.
يعمل سانشيز وفريقه من الزملاء على تطوير أفضل وصفة لهذه البطارية، وفحص العديد من التركيبات المختلفة للأملاح والمحاليل الكيميائية.
لقد توصلوا الآن إلى قائمة مختصرة من بعض النماذج الأولية التي تعمل بشكل جيد وتعمل على توسيع نطاقها.
يجري العمل على بطارية نموذجية أولية ضخمة في مركز CIC energiGUNE. قال الدكتور سانشيز: “علينا التأكد من أنهم يحافظون على أدائهم الجيد على نطاق واسع”.
كان فريقه أيضًا يبحث في طريقة لغمس مواد غشاء البطاريات المتاحة تجاريًا من أجل تغييرها كيميائيًا، مما يجعلها تدوم لفترة أطول.
يرى الدكتور سانشيز مستقبلًا مشرقًا لبطاريات تدفق الأكسدة والاختزال. “أود أن أقول إن لدينا ازدهارًا هنا في أوروبا، حيث تعمل الكثير من الشركات على بطاريات التدفق.”
ويتوقع أن تصنيع بطاريات تدفق الأكسدة والاختزال يمكن أن يوفر فرص عمل وفيرة لأوروبا في السنوات القادمة.
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
