أظهر باحثو Skoltech بالتعاون مع علماء من معهد الفيزياء الكيميائية في جامعة RAS وجامعة الأورال الفيدرالية أنه يمكن تصنيع البطاريات عالية الطاقة عالية السعة من مواد عضوية دون استخدام الليثيوم أو العناصر النادرة الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، أظهروا ثباتًا مذهلاً في المواد الكاثودية وسجلوا كثافة طاقة عالية في البطاريات القائمة على الشحن / التفريغ السريع للبوتاسيوم. تم نشر نتائج دراساتهم في مجلة كيمياء المواد A ، ومجلة رسائل الكيمياء الفيزيائية ، والاتصالات الكيميائية.
ما هو البوتاسيوم ؟
يشير الرمز K إلى البوتاسيوم، وهو عنصر كيميائي موجود في المجموعة الأولى، وهي الفلزات القلوية من الجدول الدوري، ويعتبر البوتاسيوم عنصراً مهماً لا غنى عنه لحياة الحيوانات، والنباتات على حدّ سواء، وكان البوتاسيوم أول معدن يتمّ عزله عن طريق التحليل الكهربائي، على يد الكيميائي الإنجليزي السير همفري ديفي، وذلك عندما قام بتحليل هيدروكسيد البوتاسيوم المنصهر (KOH) عام 1807 باستخدام بطارية فولتية
شركات سيارات عالمية تنوي الاستغناء عن محركات الأحتراق الداخلي
لا غنى عن بطاريات ليثيوم في حياتنا اليومية: فهي تستخدم على نطاق واسع لتخزين الطاقة ، ولا سيما في الأجهزة الإلكترونية المحمولة. يزداد الطلب على البطاريات نظرًا للتقدم السريع في السيارات الكهربائية التي تجذب الاستثمارات المتزايدة باستمرار. على سبيل المثال ، تنوي شركة فولفو زيادة حصة السيارات الكهربائية إلى 50٪ من إجمالي مبيعاتها بحلول عام 2025 ، وأعلنت شركة دايملر خططها للتخلي عن محركات الاحتراق الداخلي تمامًا ، مع تحويل التركيز نحو السيارات الكهربائية.
النقص الحاد في معادن الكوبالت والنيكل والمنغنيزيوم
ومع ذلك ، فإن الاستخدام الشامل لبطاريات الليثيوم أيون يبرز في المقدمة النقص الحاد في الموارد اللازمة لإنتاجها. المعادن الانتقالية المستخدمة عادة في الكاثودات ، مثل الكوبالت والنيكل والمنغنيز ، نادرة إلى حد ما ومكلفة ، وسامة للغاية. بينما يتم إنتاج الجزء الأكبر من الليثيوم الأقل شيوعًا من قِبل حفنة من الدول ، فإن الإمداد العالمي من الليثيوم ضئيل للغاية بحيث لا يمكن استبدال جميع السيارات التقليدية بمركبات كهربائية تعمل ببطاريات الليثيوم. وفقًا لتقديرات المركز الألماني لبحوث الطاقة (FFE) ، فإن ندرة احتياطيات الليثيوم قد تصبح مشكلة رئيسية في العقود المقبلة. في الآونة الأخيرة ، اقترح العلماء النظر في بدائل أخرى ، مثل الصوديوم والبوتاسيوم ، والتي تشبه الليثيوم في الخواص الكيميائية.
حقق باحثو Skoltech بقيادة البروفيسور بافل تروشين تطورات مهمة في تطوير بطاريات الصوديوم والبوتاسيوم التي تعتمد على مواد الكاثود العضوية. تم الإبلاغ عن نتائج أبحاثهم في ثلاثة منشورات في أهم المجلات العلمية الدولية.
ورقتهم الأولى تقدم البوليمر الذي يحتوي على شظايا هازازاتريفينيلين. أثبتت المادة الجديدة أنها مناسبة بشكل متساوٍ لبطاريات الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم التي تشحن خلال 30 إلى 60 ثانية ، بينما تحتفظ بسعة تخزين الطاقة بعد آلاف دورات تفريغ الشحنات. “تعد براعة واحدة من المزايا الرئيسية للمواد العضوية” ، يشرح المؤلف الأول للكاتب وطالب الدكتوراه في Skoltech ، رومان كاباييف. “إن آليات الأكسدة والاختزال لديهم أقل خصوصية لطبيعة الأيون المضاد ، مما يجعل من السهل إيجاد بديل لبطاريات الليثيوم أيون. مع ارتفاع أسعار الليثيوم ، من المنطقي استبداله بصوديوم أرخص أو بوتاسيوم لن ينفد. أما بالنسبة للمواد غير العضوية ، فالأشياء أكثر تعقيدًا بكثير “.
الجانب السلبي هو أن الكاثود البوليمر القائم على هيكسازاتريفينيلين لديه إمكانية تشغيل منخفضة (حوالي 1.6 فولت فولت فيما يتعلق بإمكانية K + / K) ، مما يؤدي إلى انخفاض سعة تخزين الطاقة. في الورقة الثانية ، اقترح العلماء مادة أخرى ، هي بوليمر ثنائي هيدروجينازين ، والذي لا يحتوي على هذا العيب ويضمن زيادة في متوسط الجهد التشغيلي للبطارية يصل إلى 3.6 فولت. “يمكن لأمينات البوليمر العطرية إنتاج كاثودات عضوية عالية الجهد لبطاريات أيونات المعادن. في دراستنا ، استخدمنا poly-N-phenyl-5،10-dihydrophenazine في كاثود بطارية البوتاسيوم لأول مرة. من خلال تحسين الإلكتروليت تمامًا ، حصلنا على طاقة محددة تبلغ 593 واط × ساعة / كجم ، وهي قيمة قياسية لجميع كاثودات بطارية K-ion المعروفة حاليًا ، “يوضح أول مؤلف للدراسة وطالب دكتوراه في Skoltech ، فيليب أوبريزوف .
من أهم المشكلات في بطاريات أيون المعادن ، خاصة تلك التي تحتوي على أنود معدني ، التشعبات المعدنية ، والتي تنمو داخل الخلية مسببة ماس كهربائى ، وغالبًا ما تصحبها حرائق وحتى انفجارات. لتجنب ذلك ، يمكن للمرء استبدال المعادن القلوية النقية بسبائكها ، والتي تكون سائلة في درجة حرارة تشغيل البطارية. تم اقتراح ذلك مؤخرًا من قِبل البروفيسور جون ب. جودنوف ، الحائز على جائزة نوبل عام 2019. ومن المعروف أن البوتاسيوم وسبائك الصوديوم منخفض الصهر (NaK) يحتويان على حوالي 22٪ من الصوديوم بالوزن ولديه نقطة انصهار تبلغ -12.7 درجة مئوية.
في دراستهم الثالثة ، استخدم العلماء سبيكة مماثلة من الصوديوم والبوتاسيوم مطبقة على ورق الكربون كأنود وبوليمرات الأكسدة النشطة التي تم الحصول عليها سابقًا ككاثودات. تبين أنه يمكن شحن هذه البطاريات في أقل من 10 ثوانٍ. ومن المثير للاهتمام ، أن أحد الكاثودات البوليمرية أظهر أعلى قدرة طاقة لبطاريات البوتاسيوم ، في حين أظهر الآخر ثباتًا ممتازًا ، مع فقدان 11٪ فقط من السعة بعد 10000 دورة شحن / تفريغ. أيضًا ، أظهرت البطاريات المستندة إلى هاتين المادتين خصائص طاقة لا تضاهى تصل إلى حوالي 100000 واط / كجم – وهو المستوى المعتاد في المكثفات الفائقة.
عن موقع scitechdaily.com