كيميائيون يطورون محفزاً جديداً يجعل بطاريات الزنك-الهواء تعمل لأكثر من 300 ساعة

لقد كشف الكيميائيون سراً قد يحول بطاريات الزنك-الهواء إلى مصدر طاقة قابل لإعادة الشحن بشكل مثالي. وقد طور باحثون في جامعة دارمشتات التقنية مادة مركبة متعددة الوظائف تهدف إلى تحقيق تقنية بطاريات الزنك-الهواء القابلة لإعادة الشحن. لقد كان جعل هذه البطاريات قابلة لإعادة الشحن مهمة بالغة الصعوبة، لأن التحكم في التفاعلات الكيميائية المعقدة داخل البطارية هو العائق التقني الرئيسي. ولحل هذه المشكلة، قدم فريق بحثي بقيادة البروفيسور يورغ شنايدر مادة مركبة جديدة تتكون من الحديد والنيكل والكربون، قادرة على تثبيت هذه العمليات الداخلية.

ومن المثير للاهتمام، أن هذا التطور يتيح لبطاريات الزنك-الهواء القابلة لإعادة الشحن وقت تشغيل مستمر يصل إلى 300 ساعة. وقال الفريق: «يمكن للبطاريات الثانوية من الزنك-الهواء المجمعة أن تعمل دورياً لأكثر من 300 ساعة في اختبارات الشحن والتفريغ بتيار ثابت.»

تطوير المحفز الجديد

لقد عملت بطاريات الزنك-الهواء ذات المحفزات المختلطة عالية الكفاءة بهدوء لفترة طويلة، وتستخدم بشكل أساسي في منتجات أحادية الاستخدام مثل سماعات الأذن. وتصل قدرة تخزين الطاقة في هذه البطاريات إلى خمسة أضعاف بطاريات الليثيوم-أيون، لكنها ظلت أحادية الاستخدام لأن التحكم في تفاعلاتها الكيميائية الداخلية المعقدة أثناء الشحن يكاد يكون مستحيلاً. وحل فريق البحث هذه المعضلة عن طريق تثبيت جزيئات سبينيل نانوية (تتألف من الحديد والنيكل والأكسجين) بإحكام على مادة كربونية تحتوي على النيتروجين والفوسفور. ويستخدم السبينيل على نطاق واسع في علم المواد والهندسة الكهربائية لخصائصه الفريدة. وتستفيد هذه المادة الجديدة من هذه الخصائص الكهروكيميائية المتخصصة لتعمل كمحفز داخلي طويل الأمد.

في وقت مبكر، كان أكسيد النيكل-الحديد هو المادة الأساسية للمحفزات المصممة لدفع تفاعلات الأكسجين الداخلية في بطاريات الزنك-الهواء القابلة لإعادة الشحن. ومع ذلك، واجهت هذه المحفزات تحديات تتمثل في النشاط الكيميائي المنخفض وسوء الاستقرار، مما حد من تطبيقها في بطاريات الزنك-الهواء القابلة لإعادة الشحن. ولحل هذه المشكلة، ابتكر الباحثون محفزاً هجيناً عن طريق تغليف مكعبات دقيقة من أكسيد النيكل-الحديد داخل زوايا نانوية كربونية مشوبة بالنيتروجين والفوسفور. وتوفر هذه القشرة الكربونية نقلاً سريعاً للإلكترونات والكتلة، مع خلق العديد من مواقع التفاعل النشطة. كما تحمي هذه البنية جزيئات أكسيد الحديد من التكتل أو الذوبان، مما يجعل المحفز أكثر متانة وفعالية.

أظهر هذا المحفز، الذي يحل محل بطاريات الليثيوم، أداءً كهروكيميائياً مثيراً للإعجاب، مع نصف موجة جهد يصل إلى 0.79 فولت، ومنحدر تافيل منخفض يبلغ 56.5 مللي فولت/عشر، ومسار اختزال أكسجين بأربعة إلكترونات عالي الكفاءة. وعند اختباره في خلية بطارية زنك-هواء كاملة، بلغت كثافة الطاقة القصوى 54 ميغاواط/سم²، أي ما يقارب ضعف المعيار البالغ 28 ميغاواط/سم² لإعدادات المحفزات القياسية من البلاتين والبلاتين. وفي الاختبارات المعملية، مكن المحفز من تحقيق ما يصل إلى 300 ساعة من التشغيل المستمر من خلال تثبيت «نقطة الالتقاء الثلاثي» - تفاعل المحفز الصلب، والكهارل السائل، والأكسجين المحيط.

وبالتالي، تحافظ هذه المادة على الظروف الكيميائية المستقرة اللازمة لتشغيل البطارية بشكل موثوق على المدى الطويل.

مزايا بطاريات الزنك-الهواء

تتمتع تقنية الزنك-الهواء بمزايا كبيرة من حيث التكلفة والسلامة وقابلية التوسع مقارنة بأنظمة الليثيوم-أيون. يواجه الليثيوم والكوبالت والنيكل مشكلات خطيرة في سلسلة التوريد، في حين أن مواد مثل الزنك والحديد والكربون متوفرة وبأسعار معقولة على مستوى العالم. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم بطاريات الزنك-الهواء كهارلاً مائياً غير قابل للاشتعال، مما يلغي خطر حرائق الهروب الحراري الخطيرة المرتبطة ببطاريات الليثيوم-أيون. وعلى الرغم من أن كثافة الطاقة المتوسطة تجعلها أقل ملاءمة للإلكترونيات الاستهلاكية سريعة الشحن، فإن كثافة الطاقة العالية تجعلها مثالية لتخزين طاقة الشبكة الثابتة الداعمة للطاقة الشمسية وطاقة الرياح. وأخيراً، قد تصبح بطاريات الزنك-الهواء الموسعة مصدر طاقة فعال للمسافات الطويلة في النقل الثقيل والمركبات الكهربائية.