طوّر باحثون أستراليون نوعًا جديدًا من بطاريات البروتون تعتمد على مادة عضوية جديدة تعزّز نطاق جُهد البطارية؛ ما يُكسبها زخمًا بوصفها بديلًا مستدامًا ومثاليًا لنظيراتها المصنعة من الليثيوم أيون في مجال تخزين الكهرباء.

وعلى الرغم من أن المادة العضوية الجديدة -تُسمّى "تي سي بي كيو" (TCBQ)- قد سبق استعمالها في تصنيع مواد الأقطاب الكهربائية، فإن نطاق إمكانات الأكسدة والاختزال لهذا المركب يُعد متوسطًا، وليس منخفضًا بما يكفي لاستعماله بوصفه أنودًا، ولا مرتفعًا بما يكفي لاستعماله بوصفه كاثودًا.

واستنادًا إلى تلك الخاصية شرع فريق البحث في تعديل مادة "تي سي بي كيو" لزيادة أدائها بصفتها مواد أنود، وفق معلومات طالعتها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).

ونظرًا إلى التكلفة المنخفضة ومعايير السلامة العالية وأداء الشحن السريع لبطاريات البروتون الجديدة، يمكن استعمالها في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك تخزين الكهرباء على نطاق الشبكة.

تقنية تخزين الكهرباء

حقّق الباحثون في جامعة نيو ساوث ويلز الأسترالية طفرةً في تقنية تخزين الكهرباء عبر تطوير بطارية تستغل البروتونات بدلًا من الليثيوم، وفق بيان منشور على موقع الجامعة.

وصنع الباحثون بطارية بروتون قابلة لإعادة الشحن باستعمال مادة عضوية جديدة تُسمى "تيترا أمينو بنزوكينون" (tetraamino-benzoquinone)، المعروفة اختصارًا بـ"تي إيه بي كيو" (TABQ) التي تسهّل الحركة السريعة للبروتونات، وتمكّن من تخزين الكهرباء بصورة فاعلة.

وقال البروفيسور في جامعة نيو ساوث ويلز، تشوان تشاو: "طوّرنا مادة جزيئية صغيرة ذات سعة عالية لتخزين البروتون"، في بيان صحفي حصلت منصة الطاقة المتخصصة على نسخةٍ منه.

وتتيح البطارية الجديدة آلية تخزين كهرباء سريعة، ودورة حياة طويلة، وتشغيلًا فاعلًا حتى في ظل درجات الحرارة التي تقل عن الصفر.

وقال الباحثون: "البطارية العضوية بالكامل، جنبًا إلى جنب مع الكاثود المكون من مادة (تي سي بي كيو)، توفر دورة حياة طويلة (3 آلاف و500 دورة شحن كاملة) وسعة عالية، وأداءً جيدًا في الظروف الباردة؛ مما يجعلها خطوةً واعدةً لتخزين الطاقة المتجددة".

وأضاف الباحثون: "هذه الطفرة لديها إمكانية إشعال ثورة في تخزين الكهرباء، لا سيما بالنسبة لتطبيقات معينة مثل التخزين على نطاق الشبكة والسيارات الكهربائية".

بطاريات الليثيوم أيون

تُستعمَل بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في السيارات الكهربائية، إلى جانب عدد من التطبيقات الأخرى ذات الصلة بالتقنيات النظيفة.

وفي هذا الصدد قال مؤلفو الدراسة: "هذه البطاريات التي تُنتِج شحنة بطارية عبر نقل أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود، تمثّل حلول تخزين كهرباء هي الأوسع انتشارًا".

ومع ذلك فإن اعتماد تلك البطاريات على عنصر الليثيوم ذات الوفرة المحدودة، يثير قلقًا إزاء توافر هذا المعدن على المدى الطويل إلى جانب آثاره البيئية.

وقال طالب الدكتوراه في كلية الكيمياء، سيتشنغ وو: "الليثيوم مورد محدود لا يُوزع بالتساوي على كوكب الأرض، لذلك قد لا تتمكن بعض البلدان من الوصول إلى مصادر الليثيوم منخفضة التكلفة".

وأضاف وو: "تواجه بطاريات الليثيوم كذلك تحدياتٍ كبيرةً جدًا فيما يتعلق بتطبيقات الشحن السريع ومعايير السلامة، كما أن كفاءتها منخفضة في درجات الحرارة الباردة".

وتقدم بطاريات البروتون بديلاً مقنعًا لنظيراتها المصنعة من الليثيوم أيون؛ إذ تَستعمِل الأولى البروتونات الموجودة بوفرة وليس لها أي تداعيات بيئية.

وتمتلك البروتونات كذلك أصغر نصف قطر أيوني، وكذلك أصغر كتلة بين العناصر كافّة؛ ما يتيح انتشارًا أسرع وكثافة طاقة أعلى، كما تتسم بطاريات البروتون بكونها آمنة نتيجة طبيعة إلكتروليتاتها غير القابلة للاشتعال.

إمكانات فائقة

تستعمل بطارية البروتون التي استحدثها فريق الباحثين في جامعة نيو ساوث ويلز مادة "تي إيه بي كيو" بوصفها أنودًا؛ إذ تتمتع هذه المادة بقدرات تخزين بروتونية فائقة ونطاق جهد أكسدة-اختزال أقل مقارنةً بالمواد العضوية السابقة؛ ما يدعم سعة عالية للبطارية ودورة حياة الطويلة.

وقال الباحثون: "بطاريات البروتون تجذب الأنظار بصفتها بديلًا ابتكاريًا ومستدامًا في مجال الطاقة، وقد لاقت إشادةً واسعةً بوصفها حلاً واعدًا وعمليًا لأجهزة تخزين الكهرباء من الجيل التالي"، وفق تصريحات رصدتها منصة الطاقة المتخصصة.

وتجعل تلك الخصائص بطارية البروتون منافسًا قويًا لتطبيقات مختلفة، بما في ذلك تخزين الكهرباء على مستوى الشبكة.

ويُعد تخزين الكهرباء على نطاق الشبكة أمرًا بالغ الأهمية لدمج مصادر الطاقة المتجددة في شبكة الكهرباء؛ إذ إنه يتيح تخزين الكهرباء الزائدة المولدة خلال أوقات الذروة الإنتاجية واستعمالها خلال أوقات الطلب المرتفع.

صناعة الهيدروجين

في الوقت الذي يوضح فيه النموذج الأولي الحالي من بطاريات البروتون إمكانات تلك التقنية المستحدثة، يهدف فريق البحث إلى تحسين أدائها بشكل أكبر.

وستركز الأبحاث المستقبلية على تطوير مواد عضوية جديدة ذات قدرات أعلى من حيث الأكسدة-الاختزال لتعزيز جُهد البطارية.

وأبدى البروفيسور في جامعة نيو ساوث ويلز، تشوان تشاو، إعجابه الشديد بالنتائج الأوسع لأبحاث الفريق في جامعة نيو ساوث ويلز، قائلاً: "بمقدورنا أن ندرس كيفية استعمال هذا النوع من الجزيئات العضوية لنطاق واسع من التطبيقات، مثل تخزين الهيدروجين".

وفي هذا الخصوص يمكن أن تشعل القدرة على تخزين البروتون بكفاءة وفاعلية ثورةً في صناعة الهيدروجين.

والهيدروجين هو حامل طاقة مستدام ونظيف، غير أن تخزينه ونقله يشكلان تحديًا يعرقل استعمال هذا المصدر الطاقوي على نطاق واسع.

وعبر تطوير مواد قادرة على تخزين البروتونات بشكل فعّال، يمكن نقل الهيدروجين واستعماله بشكل أكثر سهولة وأمانًا.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..

المصادر:

1.بطاريات البروتون الجديدة تتيح 3500 دورة شحن من موقع جامعة نيو ساوث ويلز.