علماء يطورون بطاريات ألمنيوم-أيون ذات سعة تخزين محسّنة – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Scientists Develop Aluminum-Ion Batteries With Improved Storage Capacity
(UNIVERSITY OF FREIBURG – بواسطة: جامعة فريبورغ)

ملخص المقالة:

طور باحثون ألمان مادة قطب موجبة لبطاريات الألومنيوم-أيون باستخدام بوليمر الأكسدة والاختزال العضوي، والذي أظهر قدرة أعلى من الغرافيت. خضعت مادة القطب الكهربائي بنجاح لـ 5000 دورة شحن، مع الاحتفاظ بـ 88٪ من سعتها عند 10 درجة مئوية، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في تطوير بطاريات الألومنيوم.

( المقالة )

قامت مجموعة بحثية بإنشاء بوليمر الأكسدة والاختزال العضوي لاستخدامه كقطب موجب في بطاريات الألومنيوم-أيون.

وتبرز بطاريات الألومنيوم-أيون كخليفة محتمل للبطاريات التقليدية التي تعتمد على مواد صعبة المصدر وصعبة إعادة التدوير مثل الليثيوم. ويُعزى هذا التحول إلى وفرة الألمنيوم في القشرة الأرضية، وإمكانية إعادة تدويره، وسلامته النسبية وفعاليته من حيث التكلفة على الليثيوم.

ومع ذلك، لا يزال تقدم بطاريات الألومنيوم-أيون في المراحل المبكرة، حيث لا يزال الباحثون يبحثون عن مواد قطب كهربائي مناسبة يمكنها توفير سعة تخزين كافية. وقد تم إحراز تقدم كبير في هذا المجال مؤخرًا من قبل فريق بحث بقيادة البروفيسور بيرغيت إيسر من جامعة أولم والبروفيسور إينغو كروسينغ والبروفيسور آنا فيشر من جامعة فرايبورغ، وبرئاسة طالب الدراسات العليا غوتييه ستودر. وطور الفريق مادة قطب موجبة تتكون من بوليمر الأكسدة والاختزال العضوي على أساس الفينوثيازين^[1].

وفي التجربة، خزنت بطاريات الألمنيوم التي تحتوي على مادة القطب الكهربي هذه سعة لم يتم الوصول إليها سابقًا تبلغ 167 مللي أمبير لكل غرام (مللي أمبير / غرام). وبالتالي، فإن بوليمر الأكسدة والاختزال العضوي يتجاوز قدرة الغرافيت، والذي تم استخدامه في الغالب كمواد قطب كهربائي في البطاريات حتى الآن. وظهرت النتائج في مجلة “الطاقة والعلوم البيئية” (Energy & Environmental Science).

مادة القطب الكهربائي تدخل الأنيونات المعقدة الألومنيوم

تتأكسد مادة القطب الكهربائي (الإلكترود) أثناء شحن البطارية، وبالتالي تستهلك أنيونات ألومينات معقدة. وبهذه الطريقة، فإن بوليمر الأكسدة والاختزال العضوي بولي (3-فينيل- N- ميثيل فينوثيازين) يتمكن من إدخال اثنين من انيونات كلوريد الألمنيوم ^–[AlCl4] بشكل عكسي أثناء الشحن. واستخدم الباحثون السائل الأيوني كلوريد إيثيل ميثيلميدازوليوم كمحلول كهربائي (إلكتروليت) مضاف إليه كلوريد الألومنيوم.

ويقول غوتييه ستودر: “تعد دراسة بطاريات الألومنيوم مجالًا بحثيًا مثيرًا مع إمكانات كبيرة لأنظمة تخزين الطاقة المستقبلية. ينصب تركيزنا على تطوير مواد عضوية جديدة فعالة للأكسدة والاختزال تتميز بأداء عالٍ وخصائص قابلة للعكس. من خلال دراسة خصائص الأكسدة والاختزال للبولي (3-فينيل- نيتروجين- ميثيل فينوثيازين) {poly(3-vinyl-N-methylphenothiazine)} في السائل الأيوني القائم على الكلورو ألومينات، حققنا تقدمًا كبيرًا من خلال إظهار عملية الأكسدة والاختزال ثنائية الإلكترون القابلة للعكس لأول مرة لمادة قطب فينوثيازين”.

بعد 5000 دورة شحن عند 10 درجة مئوية، تحتفظ البطارية بنسبة 88 بالمائة من سعتها

يقوم للبولي (3-فينيل- نيتروجين- ميثيل فينوثيازين) بترسيب ايونات كلوريد الألمنيوم بجهد 0.81 و 1.65 فولت ويوفر سعات محددة تصل إلى 167 مللي أمبير / غم. وفي المقابل، تبلغ سعة تفريغ الغرافيت كمادة قطب كهربائي في بطاريات الألومنيوم 120 مللي أمبير / غرام. وبعد 5000 دورة شحن، لا تزال البطارية التي قدمها فريق البحث تحتوي على 88 بالمائة من سعتها عند 10 درجة مئوية، أي بمعدل شحن وتفريغ لمدة 6 دقائق. وبمعدل درجات حرارة مئوية أقل، أي وقت أطول للشحن والتفريغ، تعود البطارية دون تغيير إلى سعتها الأصلية.

“بفضل جهد التفريغ العالي والسعة المحددة، فضلاً عن الاحتفاظ بالسعة الممتازة بمعدلات درجات حرارة مئوية سريعة، تمثل مادة القطب الكهربائي تقدمًا كبيرًا في تطوير بطاريات الألومنيوم القابلة لإعادة الشحن وبالتالي حلول تخزين الطاقة المتقدمة والميسورة التكلفة”، كما تقول البروفيسور بيرغيت إيسر.

*تمت الترجمة بتصرف

المرجع: “On a high-capacity aluminium battery with a two-electron phenothiazine redox polymer as a positive electrode” by Gauthier Studer, Alexei Schmidt, Jan Büttner, Maximilian Schmidt, Anna Fischer, Ingo Krossing and Birgit Esser, 22 May 2023, Energy & Environmental Science. DOI: 10.1039/D3EE00235G

ملحوظة: تم تمويل المشروع من قبل مؤسسة الأبحاث الألمانية (DFG) (مشروع AMPERE ضمن SPP 2248 – البطاريات القائمة على البوليمر ، POLiS – EXC 2154 ، livMatS – EXC 2193) وكذلك من قبل المؤسسة الاتحادية الألمانية للبيئة، و بي دبليو فور كلستر جوستس 2، و مؤسسة إيفا ماير-ستيهل (زايتوس!) وولاية بادن فورتمبيرغ (bwHCP).

المصدر:

https://scitechdaily.com/scientists-develop-aluminum-ion-batteries-with-improved-storage-capacity/?expand_article=1

الهوامش:

[1] الفينوثيازين (Phenothiazine)، والمختصر (PTZ)، هو مركب عضوي له الصيغة S(C₆H₄)₂NH ويرتبط بفئة الثيازين من المركبات الحلقية غير المتجانسة. مشتقات الفينوثيازين نشطة بيولوجيًا للغاية ولها استخدام واسع النطاق وتاريخ غني. ويكيبيديا.