خيارات واعدة تطيل أمد البطاريات.

شحن الهاتف على وشك الانتهاء ولا يمكنك العثور على مكان لتوصيله بالكهرباء. ارتفعت درجة حرارة الكمبيوتر المحمول وتخشى أن تكون البطارية على وشك الاشتعال. إلى أي مدى يمكنك قيادة سيارتك الكهربائية بعيداً عن المنزل خشية انتهاء شحن البطارية؟

سيناريوهات عديدة نعيشها اليوم تعكس جميعها مدى الحاجة المتنامية إلى بطاريات قادرة على تخزين مزيد من الطاقة، لتدوم أطول فترة ممكنة، مع ضمان تحقيق عنصر الأمان أيضاً. لذلك لا يتوقف الباحثون عن العمل من أجل مزيد من التطوير. في هذا الإطار، طوّر باحثو جامعة موناش الأسترالية تصميماً جديداً لبطارية ليثيوم – كبريت، باستخدام أقطاب من رقائق الليثيوم المغلفة بمادة بوليمرية طورت على المقياس النانوي، بغرض تقليل كمية الليثيوم المطلوبة في البطارية الواحدة.

وأظهرت نتائج دراستهم، التي نشرت في دورية «الأنظمة المستدامة المتقدمة»، في 13 أكتوبر (تشرين الأول)، أن استخدام البوليمر النانوي أدى إلى استهلاك كمية أقل من الليثيوم، وتوفير مزيد من الطاقة لفترة زمنية أطول. ومن المتوقع أن تبلغ تكلفة البطارية الجديدة نصف سعر بطاريات الليثيوم أيون شائعة الاستخدام في الوقت الحالي، وفق الباحثون.

تقنيات مستدامة بيئياً

مع التحول إلى الطاقات المتجددة، أصبحت الحاجة إلى حلول أكثر استدامة لتخزين الطاقة أمراً بالغ الأهمية. وتعد بطاريات «الليثيوم – الكبريت Li-S» من التقنيات الناشئة لتخزين الطاقة، إذ تستخدم لتوفير طاقة أكبر مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون. إلا أن عملية العثور على الليثيوم واستخراجه ونقله تترك بصمة بيئية كبيرة، لذا فإن استخدام أقل قدر ممكن من الليثيوم يظل أمراً مهماً.

وهو ما علق عليه الباحث الرئيسي للدراسة، ديكلان ماكنمارا، من شركة «موناش إنجينييرنغ»، في تصريح لـ«الشرق الأوسط»: «تمكنا من تقليل كمية الليثيوم اللازمة لتصنيع البطارية. وبالتالي تقليل حجمها ووزنها وتكلفتها. ولا تحتوي بطاريات الليثيوم – كبريت على النيكل أو الكوبالت أو المنغنيز كما هو حال بطاريات الليثيوم – أيون، ما يجعلها أكثر قابلية لإعادة التدوير».

من جانبه، أوضح ماهر القاضي، الأستاذ المساعد بجامعة كاليفورنيا – لوس أنجلوس الأميركية أن «الجيل الحالي من بطاريات الليثيوم – أيون يعتمد على الأقطاب السالبة المصنوعة من الغرافيت، أما الأقطاب الموجبة فتصنع من أنواع مختلفة من المواد، مثل أكاسيد الكوبالت، الموجودة في الأجهزة الإلكترونية، وخليط المنغنيز والنيكل والكوبالت في السيارات الكهربية، وهي معادن مرتفعة السعر وذات بصمة بيئية كبيرة أيضاً، كما أن عمليات استخراجها قد يشوبها بعض المشكلات الأخلاقية مثل عمالة الأطفال».

وأضاف: «الكبريت كبديل هو عنصر يتوافر في القشرة الأرضية بكميات كبيرة، كما أنه يسهم بالفعل في تقليل وزن البطارية، لكنه شكك في أن تكون تطبيقاته في هذا المجال أقل حجماً. وعليه يرى القاضي أن تطبيقات بطاريات الليثيوم – كبريت تخدم أكثر مجالات الفضاء والطيران، وكذلك السيارات الكهربائية».

وتضع هذه الدراسة إطاراً جديداً لحماية معدن الليثيوم والكبريت من التحلل السريع، إذ تتضمن رقائق البوليمر ثقوباً صغيرة يقل حجمها عن نانومتر، جزء من مليار من المتر، ما يسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بحرية بينما تُمنع المواد الكيميائية الأخرى التي من شأنها مهاجمة الليثيوم.

قال ماكنمارا: «الليثيوم سلاح ذو حدين، فهو مملوء بالطاقة، لكن توظيفه ضمن بطاريات سيئة التصميم يؤدي لإهدار هذه الطاقة في التفاعلات الجانبية»، مشدداً على أن «هذا الطلاء يعد خطوة نحو بطاريات ليثيوم – كبريت عالية الكفاءة وسهلة التصنيع». ووفق ماكنمارا، فإن هذه التطورات تعد خطوة واعدة نحو اعتماد واسع النطاق لبطاريات ليثيوم – كبريت.

خيارات واعدة أخرى

من جانبه، قال البروفيسور ماثيو هيل، من جامعة موناش، وأحد باحثي الدراسة، إن سوق السيارات الكهربائية، والطائرات من دون طيار، والأجهزة الإلكترونية، تشهد نمط نمو حاداً، وهذا البحث جاهز تجارياً للتصنيع لدعم هذا النمو، مشدداً على أن إنتاج خيارات جديدة من البطاريات الاقتصادية والحساسة للبيئة سيكون أمراً مفيداً. وأضاف: «نتطلع إلى العمل مع الشركاء التجاريين لتطوير وتصنيع هذه التكنولوجيات». وهو ما أكد عليه ماكنمارا: «ينصب تركيزنا على الحلول العملية القابلة للتطوير. سنواصل في المستقبل العمل على ترجمة عملنا على المستوى البحثي إلى دورة الإنتاج. ونحن الآن بصدد إنشاء شركة ونتلقى حالياً استفسارات من المستثمرين المهتمين بالشراكة معنا».

وعن أبرز الخيارات الواعدة الأخرى التي يمكنها تحقيق متطلبات البشر في المستقبل القريب، قال القاضي: «بالإضافة إلى بطاريات الليثيوم – كبريت، تعد بطاريات الليثيوم – أيون فوسفات، من أشهر هذه الخيارات، نظراً لأن أقطابها من عناصر الحديد والفوسفور الموجودة بوفرة في الطبيعة، وهي عناصر رخيصة الثمن، مقارنة بالكوبالت والنيكل على سبيل المثال، بالإضافة إلى جدوى عمليات الشحن والتفريغ وإعادة التدوير الخاصة بهما، كما أنها أكثر أماناً والعمر الافتراضي لها أطول كثيراً من الأقطاب التقليدية». وأشار إلى أن «البطاريات التي تعتمد على السيلكون تجد اهتماماً بحثياً أيضاً الآن، لأن السيلكون غير نشط كيميائياً، وبالتالي أكثر أماناً ومن العناصر المتوافرة بشدة في الطبيعة».

وأضاف القاضي: «الأمر ذاته يسري على بطاريات الصوديوم – أيون، التي تجد الآن فرصة جيدة جداً نظراً لتوافر عنصر الصوديوم بكثرة في الطبيعة، حيث يبلغ مخزونه في القشرة الأرضية حوالي 21 مليون طن، وهي كمية كفيلة بأن تغطي احتياجات قطاع تصنيع السيارات الكهربائية». وأخيراً، تأتي «بطاريات الخارصين، وهو أيضاً من العناصر المتوافرة بكثرة في الطبيعة، ويتمتع بعامل أمان كبير».