علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
An anode-free zinc battery that could someday store renewable energy
(American Chemical Society – بواسطة: الجمعية الكيميائية الامريكية)
ملخص المقالة:
يمكن لبطاريات الليثيوم-أيون (lithium-ion) الضخمة تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا، لكنها تعاني من مشكلات تتعلق بالسلامة ومحدودية توافر الليثيوم. وقد صنع الباحثون نموذجًا أوليًا لبطارية خالية من القطب الإيجابي (الأنود)، تعتمد على الزنك، تستخدم مواد منخفضة التكلفة ومتوفرة بشكل طبيعي. ولكنها تتطلب أقطابًا سميكة من الزنك، مما يزيد التكلفة. كما أن الأقطاب عرضة لترسب نتوءات بلورية من معدن الزنك عليها أثناء الشحن، مما يتسبب في توصيل الدائرة الكهربائية للبطارية. واستلهامًا من بطاريات الليثيوم ومعدن الصوديوم الخالية من الأنود، صنع الباحثون بطارية يكون فيها القطب السالب (الكاثود) الغني بالزنك هو المصدر الوحيد لطلاء الزنك على جامع التيار النحاسي، واستخدموا كاثود مصنع من ثنائي أكسيد المنغنيز (قاموا بكبسه مسبقًا بأيونات الزنك) ومحلول إلكتروليت من الزنك، ومجمع تيار من رقائق النحاس. ويتم أثناء الشحن طلاء معدن الزنك على الرقاقة النحاسية، كما يتم تجريد المعدن أثناء التفريغ، مما يؤدي إلى إطلاق الإلكترونات التي تشغل البطارية. ولمنع التشعبات من التشكل، غطوا مجمع التيار النحاسي بطبقة من أقراص الكربون النانونية. وقد أظهرت البطارية كفاءة عالية، حيث احتفظت بنسبة 62.8٪ من سعتها التخزينية بعد 80 دورة شحن وتفريغ.
يمكن لمصادر الطاقة المتجددة، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية، أن تساعد في تقليل اعتماد العالم على الوقود الأحفوري. ولكن شركات الطاقة تحتاج أولًا إلى طريقة آمنة وفعالة من حيث التكلفة لتخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا. ويمكن لبطاريات الليثيوم-أيون (lithium-ion) الضخمة القيام بهذه المهمة، لكنها تعاني من مشكلات تتعلق بالسلامة ومحدودية توافر الليثيوم. الآن، قام الباحثون بالإبلاغ في نشرة النانو (Nano Letters) الصادرة عن الجمعية الكيميائية الامريكية أنهم صنعوا نموذجًا أوليًا لبطارية خالية من القطب الايجابي (الأنود) تعتمد على الزنك، تستخدم مواد منخفضة التكلفة ومتوفرة بشكل طبيعي.
وتم سابقا استكشاف البطاريات السائلة (المائية) القائمة على الزنك، لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة بسبب سلامتها وكثافة الطاقة العالية. بالإضافة إلى ذلك، فإن المواد المستخدمة في صنعها وفيرة بشكل طبيعي. ومع ذلك، فإن بطاريات الزنك القابلة لإعادة الشحن التي تم تطويرها حتى الآن تتطلب أقطابًا معدنيةً سميكة من الزنك، ما يجعلها تحتوي على كمية كبيرة من الزنك وبالتالي تزيد التكلفة. كما أن الأقطاب عرضة لتشكيل التشعبات – وهي نتوءات بلورية من معدن الزنك تترسب على القطب الايجابي أثناء الشحن – والتي يمكن أن توصل الدائرة الكهربائية للبطارية أثناء الشحن. وقد تساءل كل من يونبي زهو (Yunpei Zhu)، ويي كوي (Yi Cui) وحسام الشريف إذا كانت هناك حاجة حقيقية لقطب الزنك الايجابي. واستلهامًا من الاستكشافات السابقة لبطاريات الليثيوم ومعدن الصوديوم “الخالية من القطب الايجابي” ، قرر الباحثون صنع بطارية يكون فيها القطب السالب (الكاثود) الغني بالزنك هو المصدر الوحيد لطلاء الزنك على جامع التيار النحاسي.
وقد استخدم الباحثون في بطاريتهم قطبًا سالبًا مصنعًا من ثنائي أكسيد المنغنيز – قاموا بكبسه مسبقًا بأيونات الزنك – ومحلول إلكتروليت ثلاثي فلورو الميثان سلفونات الزنك المائي، ومجمع تيار من رقائق النحاس. ويتم أثناء الشحن طلاء معدن الزنك على الرقاقة النحاسية، ويتم تجريد المعدن أثناء التفريغ، مما يؤدي إلى إطلاق الإلكترونات التي تشغل البطارية. ولمنع التشعبات من التشكل، قام الباحثون بتغطية مجمع التيار النحاسي بطبقة من أقراص الكربون النانوية. وقد عززت هذه الطبقة طلاء الزنك المنتظم، وبالتالي منع التشعبات، وزيادة كفاءة طلاء الزنك وتجريده.
وقد أظهرت البطارية كفاءة عالية وكثافة طاقة واستقرار، حيث احتفظت بنسبة 62.8٪ من سعتها التخزينية بعد 80 دورة شحن وتفريغ. ويقول الباحثون إن تصميم البطارية الخالية من القطب الإيجابي (الأنود) يفتح اتجاهات جديدة لاستخدام البطاريات السائلة القائمة على الزنك في أنظمة تخزين الطاقة.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-01-anode-free-zinc-battery-renewable-energy.html
لمزيد من المعلومات: Yunpei Zhu et al. An Anode-Free Zn–MnO2Battery. Nano Letters. January 20, 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04519