بطاريات الكالسيوم بدائل رخيصة وآمنة لأنظمة الليثيوم أيون

محمد عبد السند

2024-02-18

0 1٬728

الكالسيوم هو المعدن ثنائي التكافؤ الأكثر وفرة على كوكب الأرض
العلماء يشعرون بالقلق من محدودية إمدادات الليثيوم في المستقبل
من المتوقع أن تكون بطاريات الكالسيوم أرخص ثمنًا وأكثر أمانًا من نظيرتها بطاريات الليثيوم أيون
واجه الباحثون تحديًا عصيبًا يتمثل في اكتشاف الإلكتروليت المكون الموجود في البطارية
من الممكن تحسين تشغيل البطارية عبر تقنية هندسية معينة

ظل تطوير بطاريات الكالسيوم، القادرة على أن تحل محل نظيرتها بطاريات الليثيوم أيون، حلمًا طالما راود خيال العلماء الذين يشعرون بقلق إزاء محدودية إمدادات الليثيوم في المستقبل.

والكالسيوم هو المعدن ثنائي التكافؤ الأكثر وفرة على كوكب الأرض، ويمكن لهذه البطاريات المصنعة من هذا المعدن أن تقدم، من الناحية النظرية، بديلًا أرخص وأكثر كثافة للطاقة لبطاريات الليثيوم أيون، وفق معلومات جمعتها منصة الطاقة المتخصصة.

ومع ذلك، فإن نصف القطر الذري الأكبر للكالسيوم والشحن العالي له يفرضان العديد من المعضلات التي ما يزال يتعين التغلب عليها لصناعة بطارية أكثر فاعلية وكفاءة.

ويشير نصف القطر الذري (Atomic radius) إلى المسافة بين نواة الذرة ومدار الإلكترون الخارجي الثابت والموجود في حالة اتزان.

الشحن 700 مرة

قال علماء من جامعة فودان الصينية، إنهم طوروا بطاريات الكالسيوم القابلة لإعادة الشحن والقادرة على تقديم بديل أرخص ثمنًا وأكثر استدامة لتقنية الليثيوم، وفق نتائج دراسة نشرتها دورية نيتشر العلمية (Nature).

وأقدم العلماء كذلك على دمج بطارية الكالسيوم-أكسجين في الألياف، لتصنيع بطارية مرنة لديها القدرة على تشغيل هاتف ذكي.

وتُصنع بطاريات الكالسيوم من معدن يتوافر بدرجة أكبر من الليثيوم بواقع 2500 مرة، وتتسم بالقدرة على الشحن والتفريغ 700 مرة بطريقة مستقرة في درجة حرارة الغرفة، في إنجاز هو الأول من نوعه لتلك التقنية.

وقال فريق البحث: "البطارية لديها القدرة على تحويل كيمياء الكالسيوم إلى تقنية تخزين كهرباء مستدامة واعدة"، في تصريحات تابعتها منصة الطاقة المتخصصة.

وتُعرف بطاريات الليثيوم أيون بكثافة الطاقة العالية، أو سعة تخزين الكهرباء نسبة إلى الوزن أو الحجم، وهي تُستعمَل على نطاق واسع عالميًا في حزمة واسعة من التطبيقات، في مقدمتها السيارات الكهربائية.

ومع ذلك فإن ضمان إمدادات موثوقة من الليثيوم لا غنى عنه، للتوسع في الصناعات المستدامة مثل تخزين الكهرباء المتجددة والسيارات الكهربائية.

بطاريات الكالسيوم

غير أن وكالة الطاقة الدولية توقعت أن يشهد العالم نقصًا في معدن الليثيوم خلال العام المقبل (2025)، مع تزايد الطلب المطرد على السيارات الكهربائية، وسط مساعٍ عالمية حثيثة لتحقيق أهداف الحياد الكربوني.

وفي محاولة لضمان ما يكفي من الليثيوم والمعادن الإستراتيجية الأخرى، أقر الاتحاد الأوروبي تشريعًا جديدًا من شأنه أن يمكّنه من الحصول عليها من خلال إبرام صفقات مع دول ثالثة صديقة، بما في ذلك مشروعات تعدين الليثيوم المثيرة للجدل التي قد تكون ضارة في الوقت نفسه.

إلى جانب ذلك، تُعد عملية تعدين الليثيوم مكلفة للغاية، كما أنها تستلزم كميات كبيرة جدًا من المياه، وفق تقرير طالعته منصة الطاقة المتخصصة.

بدائل أرخص ثمنًا

وحسب الدراسة، "من المتوقع أن تكون بطاريات الكالسيوم أرخص ثمنًا وأكثر أمانًا من نظيرتها بطاريات الليثيوم أيون"، ومن بين أنواع بطاريات الكالسيوم، تبرز أنظمة الكالسيوم-أكسجين الأعلى من حيث كثافة الكهرباء النظرية.

ويُعزى هذا إلى أن الوقود الخاص ببطاريات الكالسيوم يأتي من الأكسجين الموجود في الهواء بدلاً من مادة مخزنة داخل البطارية نفسها.

وتشير الكثافة النظرية إلى أقصى قيمة ممكنة يمكن للنظام الاحتفاظ بها أو إنتاجها في ظل ظروف مثالية.

في المقابل تشير الكثافة الفعلية إلى الناتج أو التخزين الواقعي الذي يمكن للنظام تحقيقه في ظل ظروف العالم الحقيقي، وغالبًا ما تكون أقل من الكثافة النظرية بسبب عدم الكفاءة أو القيود.

ومع ذلك فإن بطاريات الكالسيوم-أكسجين لا تعمل بصورة مستقرة في درجة حرارة الغرفة، وحتى الآن لم يتوصل العلماء -بعد- إلى تطوير بطارية قابلة لإعادة الشحن بتلك المواصفات.

التحدي الأكبر

واجه الباحثون تحديًا عصيبًا يتمثل في اكتشاف إلكتروليت -المكون الموجود في البطارية الذي يمكنها من الشحن والتفريغ- لا يتسبب في تفاعلات مع الكالسيوم من شأنها أن تؤثر سلبًا في سعة البطارية.

ولحل تلك المعضلة صنع فريق البحث الصيني إلكتروليت سائلًا لديه القدرة على احتواء مكونات الكالسيوم والأكسجين في البطارية.

ومن الممكن أن توفر بطاريات الكالسيوم القابلة لإعادة الشحن التي أنتجها الباحثون بديلًا أرخص ثمنًا لنظيرتها المصنوعة من الليثيوم أيون، وبتطبيقات مصاحبة عديدة وأكثر تنوعًا.

بطاريات نسيجية

قال الباحثون إن "بطارية الكالسيوم-أكسجين تُظهر استقرارًا في الهواء، ويمكن تحويلها إلى ألياف مرنة تُنتَج منها بطاريات نسيجية تستعمل في الأنظمة القابلة للارتداء من الجيل التالي".

وبعد وضع مكونات البطارية على الألياف، وجد الباحثون أن بطارية الألياف الخاصة بهم أظهرت قدرة على الأداء التشغيلي المستقر حتى عند طيها من الصفر إلى 180 درجة، وفق تقرير طالعته منصة الطاقة المتخصصة.

وباستعمال آلة تجديل تجارية، حوّل العلماء بطاريات الألياف تلك إلى بطاريات نسيجية مرنة يمكنها تشغيل الأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة.

وبينما ما يزال أداء وسعة البطارية محدودين، قال الباحثون إنه من الممكن تحسين تشغيل البطارية عبر تقنية هندسية معينة، مشيرين إلى أن أبحاثهم فتحت -كذلك- الآفاق لإنتاج بطاريات الكالسيوم بمواد أخرى.

موضوعات متعلقة..

اقرأ أيضًا..