- العلماء الصينيون يطورون محفزات من فلوريد الجرافين، مما يزيد كفاءة بطاريات الزنك-هواء إلى حوالي 98%.
- تظل البطارية تحتفظ بكفاءة 97.6% بعد 1,500 دورة شحن وتفريغ.
- تعتبر بطاريات الزنك-هواء بديلًا واعدًا لبطاريات الليثيوم أيون، نظرًا لكثافتها الطاقية العالية وتكلفتها المنخفضة.
- يمكن أن توفر نتائج البحث استراتيجيات جديدة لمحفزات الكربون غير المعتمدة على المعادن.
طور العلماء الصينيون مؤخرًا نوعًا من محفزات الجرافين يمكنه زيادة كفاءة بطاريات الزنك-هواء إلى حوالي 98%، مما يسمح لها بالعمل لأكثر من 820 ساعة. يحتوي هذا المحفز الكهربائي من فلوريد الجرافين (FG-3) على 3.1% من الفلور، وقد قاد فريق من الباحثين برئاسة الدكتور وين تشينهاي والدكتور هوانغ جونغ هينغ من معهد هيكل المواد في مقاطعة فوجيان. وفقًا للعلماء، يمكن لهذا المحفز من الجرافين تحسين كفاءة بطاريات الزنك-هواء ودوامها بشكل ملحوظ. في الاختبارات المعملية، حققت البطارية كفاءة عائدة مثيرة للإعجاب بلغت 98%، وعملت بشكل مستقر لأكثر من 820 ساعة في الهواء عند درجة حرارة الغرفة.
علاوة على ذلك، بعد 1,500 دورة شحن وتفريغ، لا تزال البطارية تحتفظ بكفاءة 97.6%. يعتقد الدكتور وين والدكتور هوانغ أن هذه النتائج البحثية قد تؤدي إلى أنظمة تخزين طاقة أفضل وأكثر كفاءة من الجيل التالي.
مزايا وتحديات بطاريات الزنك-هواء
تستخدم بطاريات الزنك-هواء (ZABs) الزنك المعدني والأكسجين من الهواء المحيط لتوليد الطاقة، حيث يعمل الزنك المعدني كقطب سالب، بينما يتفاعل الأكسجين على القطب الموجب. نظرًا لقدرتها على تخزين المزيد من الطاقة، تعتبر بطاريات الزنك-هواء بديلًا واعدًا لبطاريات الليثيوم أيون. بالإضافة إلى ذلك، فإن موارد الزنك وفيرة وتكلفتها منخفضة نسبيًا، ولها كثافة طاقة عالية. ومع ذلك، حتى الآن، كانت بطاريات الزنك-هواء شبه غير قابلة لإعادة الشحن. ويرجع ذلك أساسًا إلى التفاعلات الكيميائية المعقدة التي تحدث خلال عملية الشحن والتفريغ، والتي تتطلب طاقة كبيرة، مما يقلل من كفاءة بطاريات الزنك-هواء ويسرع من تآكل المواد.
لمعالجة هذا التحدي، توجه الباحثون الصينيون إلى تفاعلات ثنائية الإلكترون تتضمن الأكسجين وبيروكسيد الهيدروجين، والتي تتميز بسرعة أكبر وقابلية عكسية أفضل.
تصنيع فلوريد الجرافين وأدائه
أشار الفريق إلى أن "مسار تحويل O2-H2O2 ثنائي الإلكترون (2e-) يحظى بقدر متزايد من الاهتمام بسبب حركته الداخلية الأسرع وقابليته العكسية الأفضل." من أجل تصنيع فلوريد الجرافين، استخدموا عملية تحكم في التسخين لإزالة الفلور من المادة تدريجيًا، مع استعادة هيكل الكربون الموصل. ساعدت هذه العملية في إنشاء عدة عينات من الجرافين بتركيزات فلور مختلفة. أظهر FG-3 أفضل أداء، حيث كان قادرًا على توصيل الكهرباء بشكل أكثر كفاءة، وتعزيز تسريع التفاعلات الكيميائية. كما أن هذه المادة تتمتع بسطح أكبر، وتوزيع متجانس للفلور، وتفاعلات محسنة مع الإلكتروليت.
أظهرت المزيد من الاختبارات أن روابط الفلور والكربون غيرت الخصائص الكهربائية للذرات الكربونية المجاورة.
لتقييم أدائها بشكل أكبر، اختبر فريق البحث هذا المحفز في بطارية الزنك. أظهرت نتائج الاختبار أن محفز FG-3 من الجرافين حقق أداءً ممتازًا، حيث وصل إلى 97.4% من انتقائية بيروكسيد الهيدروجين و98% من كفاءة فاراداي. حققت بطارية الزنك-هواء غير القابلة للشحن المصنوعة باستخدام هذا المحفز كثافة طاقة قصوى بلغت 569 مللي واط لكل سنتيمتر مربع (mW cm-2). في الوقت نفسه، حقق الإصدار القابل للشحن كفاءة عائدة بلغت 98%. بعد حوالي 1,500 دورة شحن، لا تزال البطارية تحتفظ بكفاءة 97.6%، وعملت بشكل مستقر لأكثر من 820 ساعة في الهواء الطبيعي.
اتجاهات تطوير المحفزات المستقبلية
وفقًا للعلماء، قد توفر هذه الاكتشافات استراتيجية جديدة لتصنيع محفزات الكربون غير المعتمدة على المعادن. اختتم الفريق في بيانه الصحفي بالقول: "يجعل هذا المحفز التحويل العكسي العالي لـ O2-H2O2 ممكنًا، ويظهر أداءً ممتازًا في البطاريات المعتمدة على الزنك." تم نشر هذه الدراسة في مجلة Angewandte Chemie International Edition.
العنصر المواصفات تركيز الفلور 3.1% الكفاءة العائدة 98% مدة التشغيل أكثر من 820 ساعة عدد دورات الشحن والتفريغ 1,500 مرة انتقائية بيروكسيد الهيدروجين 97.4% كثافة الطاقة القصوى 569 مللي واط/سم²
إمكانات واستخدامات محفزات فلوريد الجرافين
يمثل تطوير محفزات فلوريد الجرافين خطوة كبيرة في تقنية بطاريات الزنك-هواء، حيث يمكن أن يزيد بشكل ملحوظ من كفاءة البطارية ودوامها. تتمثل مزايا بطاريات الزنك-هواء في كثافتها الطاقية العالية وتكلفتها المنخفضة، مما يجعلها منافسًا قويًا لبطاريات الليثيوم أيون. ومع ذلك، فإن كفاءة الشحن والتفريغ المنخفضة في بطاريات الزنك-هواء التقليدية تحد من تطبيقاتها العملية. لا تعمل المحفزات الجديدة على تحسين أداء البطارية فحسب، بل تقدم أيضًا أفكارًا جديدة لتصميم المحفزات المستقبلية، خاصة في سياق عدم الاعتماد على المعادن، مما قد يدفع نحو حلول طاقة أكثر صداقة للبيئة.