باحثون صينيون يبتكرون بطارية مائية طويلة الأمد وصديقة للبيئة

إلكتروليت متعادل في القلب

يرتكز التصميم على محلول إلكتروليتي متعادل الحموضة مصنوع من أملاح المغنيسيوم والكالسيوم. وهذا يختلف عن كيمياء البطاريات المائية التقليدية، التي تعتمد غالبًا على محاليل حمضية أو قلوية قوية. هذه المحاليل تُسبب تآكل الأقطاب الكهربائية وتلفها مع مرور الوقت. أما النهج المتعادل فيتجنب هاتين المشكلتين. ويبلغ الرقم الهيدروجيني للمحلول الإلكتروليتي 7، وهو قريب من الرقم الهيدروجيني للماء النظيف.

كان التحدي الرئيسي هو اختيار الإلكتروليت المناسب لمادة القطب الكهربائي. وقد طوّر الفريق قطبًا كهربائيًا من بوليمر عضوي تساهمي مصمم لاستضافة أيونات المغنيسيوم والكالسيوم. يتميز هذا البوليمر ببنية جزيئية صلبة تشبه خلية النحل، مما يُثبّت المركب النشط ضد التحلل في المحاليل المائية. وفي الاختبارات، حققت الخلية سعة نوعية قدرها 112.8 مللي أمبير ساعة لكل غرام.

ادعاءات طول العمر ومعناها

يزعم الباحثون أنه بمعدلات الشحن والتفريغ اليومية، قد يمتد عمر البطارية التشغيلي إلى قرون. وقد ذكر موقع لايف ساينس أن هذا الادعاء يشير إلى أنها ستدوم حتى القرن الرابع والعشرين. لكن هذا الرقم يحتاج إلى سياق. فعدد دورات الشحن والتفريغ في المختبر لا يعكس بالضرورة ظروف العالم الحقيقي. إذ أن تغيرات درجة الحرارة، وتقلبات الأحمال، والإجهاد الفيزيائي في المنشآت الميدانية، كلها عوامل تُدخل متغيرات لا تحاكيها الاختبارات المعملية بشكل كامل.

يُعدّ رقم 120,000 دورة، في حد ذاته، نتيجةً جديرةً بالملاحظة. فمعظم بطاريات الليثيوم أيون التجارية تتدهور بشكل ملحوظ بعد 2,000 إلى 4,000 دورة. حتى خلايا فوسفات الحديد الليثيوم المُخصصة للشبكات الكهربائية تعمل عادةً ضمن نطاق 3,000 إلى 6,000 دورة قبل حدوث فقدان ملحوظ في السعة. والفجوة بين هذه الأرقام و120,000 دورة كبيرة. ولم تُنشر بعدُ دراسة مستقلة للتحقق من هذه النتيجة.

يستحق الادعاء المتعلق بالتخلص من البطاريات الانتباه أيضاً. يصف المؤلفون التركيب الكيميائي للإلكتروليت بأنه آمن بما يكفي للتخلص منه مباشرةً في البيئة. وهذا ادعاء قوي. إذ تضع الأطر التنظيمية في المملكة المتحدة والولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي معايير صارمة للتخلص من البطاريات. ويتطلب التحقق من مدى استيفاء هذا التركيب الكيميائي لتلك المعايير عملياً إجراء اختبارات بيئية مستقلة.

حيث واجهت البطاريات المائية صعوبات

حظيت البطاريات المائية باهتمام متزايد من مطوري أنظمة تخزين الطاقة في الشبكات الكهربائية. فهي لا تشتعل، وقد تكون تكلفة تصنيعها أقل من أنظمة الليثيوم أيون. كما أن المحاليل الإلكتروليتية المائية متوفرة بكثرة وسهلة الاستخدام.

مع ذلك، كانت المقايضات حقيقية. فكثافة الطاقة في الأنظمة المائية أقل منها في بدائل الليثيوم أيون. كما أن تآكل الأقطاب الكهربائية قد قلل من عمر الخدمة في العديد من التصاميم. وقد وثّقت الدراسات المنشورة في مجلة "مواد تخزين الطاقة" هذه القيود بالتفصيل. وقد حدّت هذه القيود من الانتشار التجاري حتى مع تزايد الطلب على تخزين الطاقة في الشبكة.

يسعى التصميم الجديد إلى تقليل هذه المفاضلات. يعالج المحلول الإلكتروليتي المحايد التآكل بشكل مباشر، بينما يعالج قطب البوليمر التدهور. أما مدى فعالية هذا المزيج على نطاق واسع، وفي مختلف درجات الحرارة، وفي بيئات الشبكات الكهربائية الحقيقية، فهو سؤال لم تجب عليه الورقة البحثية المنشورة بعد.

الطلب على تخزين الطاقة في الشبكة والسياق الأوسع

أصبح تخزين الطاقة بالبطاريات على نطاق الشبكة أولوية في تخطيط الطاقة النظيفة. وقد أشارت وكالة الطاقة الدولية مرارًا وتكرارًا إلى أن سعة التخزين تُعدّ قيدًا أساسيًا على دمج مصادر الطاقة المتجددة. ويُعدّ توليد الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية متقطعًا، ويُسهم التخزين في تخفيف هذا التقطع. وتُهيمن بطاريات الليثيوم أيون على المنشآت الحالية، إلا أن مخاوف سلسلة التوريد، وتكاليف المواد الخام، ومخاطر الحرائق، أبقت الاهتمام بالبدائل قائمًا.

حظيت الأنظمة المائية، وبطاريات التدفق، وتخزين الهواء المضغوط باهتمام استثماري وبحثي واسع. ولكل منها تكلفة وأداء مختلفان. ومن شأن بطارية توفر عمرًا تشغيليًا طويلًا جدًا مع مخاطر بيئية منخفضة أن تعالج اثنين من أكثر الشواغل التجارية إلحاحًا في هذا القطاع.

لا يزال عمل الفريق الصيني في مراحله الأولى. ويشير نشر البحث في مجلة "نيتشر كوميونيكيشنز" إلى أن المنهجية اجتازت التدقيق من قبل الخبراء، لكن هذا لا يؤكد جاهزيتها للتسويق التجاري.

ما يأتي بعد ذلك

يُعدّ التوسع في الإنتاج الاختبار التالي. تختلف الخلايا المختبرية والمنشآت واسعة النطاق اختلافًا كبيرًا في التعقيد الهندسي. سيتطلب الأمر تصنيع قطب البوليمر العضوي التساهمي بكميات كبيرة. أما تكلفة الكيلوواط/ساعة عند الإنتاج بكميات كبيرة، فهي غير معروفة في هذه الدراسة.

لم يُعلن الباحثون عن شريك تجاري أو مشروع تجريبي. ولم يُذكر أي جدول زمني للتطبيق في المواد المنشورة. النتائج جديرة بالمتابعة، ولكن من السابق لأوانه اعتبارها حلاً نهائياً للمشكلة.