بنية جديدة لبطارية الزنك-الهواء ترفع كثافة الطاقة بنسبة 80%

اخترع العلماء تقنية جديدة ترفع كثافة طاقة البطارية بنسبة تصل إلى 80% دون تغيير تركيبها الكيميائي الأساسي. وتعاون معهد برشلونة لعلوم المواد (ICMAB-CSIC) مع ICN2 وجامعة لا بلاتا الوطنية لتطوير بنية جديدة لبطارية الزنك-الهواء قادرة على تعزيز خرج الطاقة دون تغيير الكيمياء الأساسية. وقد أفرز عقود من تصميم البطاريات قاعدة لا تقبل المساومة: الحفاظ على عدم التوصيل الكهربائي للإلكتروليت. فوجود إلكترونات حرة في السائل يؤدي إلى دائرة قصيرة، مما يعطل البطارية. وأظهر الفريق بقيادة نيفز كاساني-باستور ومارك موسكيدا أن إضافة عناصر معدنية موصلة غير متصلة إلى الإلكتروليت يمكن أن تحسن الأداء بأمان.

ووجد البحث على وجه الخصوص أن إدخال شرائح معدنية موصلة في سائل بطارية زنك-هواء بلا غشاء يخلق أقطابًا ثنائية القطب لاسلكية. وتفتح هذه الاستراتيجية التصميمية آفاقًا جديدة لتعزيز طاقة وقدرات شحن تقنيات البطاريات الأخرى، متجاوزة أنظمة الزنك-الهواء.

تصميم مبتكر للأقطاب ثنائية القطب اللاسلكية

وبكسر حاجز عدم التوصيل، تستخدم البطارية مادتين مختلفتين للقطبين، يفصل بينهما إلكتروليت ينقل الأيونات فقط لا الإلكترونات. وعند تشغيل البطارية، يستقطب المجال الداخلي جزر المعدن على الفور، فيصبح أحد الجانبين موجب الشحنة والآخر سالبها. ويخلق هذا التفاعل اللاسلكي مسارات جديدة في الإلكتروليت، مما يسرع حركة الشحنة ويقلل المقاومة الداخلية. والنتيجة النهائية هي تدفق للطاقة الكهربائية أسرع بكثير وأكثر كفاءة، دون أي توصيلات فيزيائية. وتقول كاساني-باستور: «عادةً، إذا كانت مادة قادرة على نقل الإلكترونات في الإلكتروليت، فإن ذلك يؤدي إلى دائرة قصيرة، فتتوقف البطارية عن العمل.

والأمر المثير للدهشة أن هذه الموصلات غير متصلة بأي جهاز: إنها مجرد موضوعة داخل النظام، ومع ذلك فإنها تنتج تأثيرات مفيدة، وتغير بشكل كبير الطاقة أو قدرة الشحن».

مفتاح تعزيز كفاءة البطارية

تتميز أنظمة الزنك-الهواء بانخفاض تكلفتها، وخلوها من خطر الانفجار، واعتمادها على مواد وفيرة في القشرة الأرضية. وتعد السلامة نقطة قوتها، لكن السرعة ظلت نقطة ضعفها. فقد لطالما قيد تفاعل الأكسجين البطيء بطاريات الزنك-الهواء، مما يؤثر على خرج طاقتها. ومن خلال إدخال هذه الأقطاب ثنائية القطب اللاسلكية، قلص فريق البحث المقاومة الداخلية إلى جزء صغير من مستواها الطبيعي. ونتيجة لذلك، زادت سرعة انتقال الطاقة في النظام بشكل كبير. وتحسنت كفاءة البطارية وسرعتها تحسنًا ملحوظًا. وفي الدراسة، اختبر البلاتين (Pt) والزنك (Zn) كشرائح معدنية صغيرة موضوعة مباشرة في إلكتروليت البطارية السائل لتعمل كأقطاب ثنائية القطب لاسلكية.

وبتقليل المقاومة الداخلية، أدى عزم ثنائي القطب المستحث إلى خفض المقاومة الأومية الداخلية بنسبة تصل إلى 64%، وتقليل مقاومة نقل الشحنة بشكل أكبر، مما يسهل تدفق الطاقة داخل البطارية. وأحدث تغيير المواد والتكوين الهندسي تحسينات كبيرة في مؤشرات البطارية الرئيسية. فارتفعت كثافة الطاقة الحجمية بنسبة تصل إلى 80%، وزادت كثافة التيار الحدية بأكثر من 50%. كما حقق النظام انخفاضًا في الجهد الزائد يصل إلى 300 ميلي فولت، مما يجعل نقل الطاقة أسرع وأكثر كفاءة. وتوفر بطاريات الزنك-الهواء عالية الطاقة بديلًا صديقًا للبيئة لتخزين شبكات الطاقة المتجددة (مثل دمج الطاقة الشمسية وطاقة الرياح)، وتعتمد بالكامل على مكونات كيميائية غير سامة وغير قابلة للاشتعال.

ويقول الباحثون إن هذا التطور يعكس استراتيجية أوسع لتحسين البطاريات، وليست حلًا وحيدًا ثابتًا، وقد لوحظت فوائد مماثلة في تقنيات تخزين طاقة أخرى تتجاوز أنظمة الزنك-الهواء. وسيواصل الباحثون استكشاف تطبيقات جديدة لهيكل الأقطاب ثنائية القطب اللاسلكية هذا لتعزيز معلمات البطاريات المختلفة. وقد نُشر البحث في دورية «مواد تخزين الطاقة» (Energy Storage Materials).