باحثون يقومون بتعديل أقطاب بطارية التدفق الهجين بمواد نانوية – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Researchers modify hybrid flow battery electrodes with nano-materials
(University of Warwick – بواسطة: جامعة وارويك)

ملخص المقالة:

وجد باحثو مجموعة وارويك للتصنيع في جامعة وارويك، بالتعاون مع إمبريال كوليدج لندن، طريقة لتحسين بطاريات التدفق الهجين واستخدامها التجاري، وتخزين الكهرباء فيها لفترات طويلة جدًا بحوالي خُمس (1/5) سعر التقنيات الحالية، مع الحد الأدنى من قيود الموقع والانبعاثات. وقاموا بتحسين ثلاث خلايا تدفق هجينة باستخدام الجرافين المشبع بالنيتروجين في تقنية الرَحَلَان الكهربي الخالية من المواد. وتجمع هذه التقنية بين الأقطاب الكهربائية القائمة على الكربون والإلكتروليتات ذات المصادر الاقتصادية (المنجنيز أو الكبريت) عن طريق ترسيب كهربي بسيط ولكنه فعال للغاية لإضافات الكربون النانوية (الجرافين المشبع بالنيتروجين) التي تعزز متانة وأداء القطب بشكل ملحوظ في البيئات شديدة الحموضة أو القلوية.

المقالة

وجد الباحثون في مجموعة وارويك للتصنيع (WMG) [١] في جامعة وارويك [٢] ، بالتعاون مع إمبريال كوليدج لندن، طريقة لتحسين بطاريات التدفق الهجين [٣] واستخدامها التجاري. ويمكن للنهج الجديد تخزين الكهرباء في هذه البطاريات لفترات طويلة جدًا بحوالي خُمس (1/5) سعر التقنيات الحالية، مع الحد الأدنى من قيود الموقع وانبعاثات صفرية.

وقام الباحثون بتحسين ثلاث خلايا تدفق هجينة باستخدام الجرافين المشبع بالنيتروجين (المُعَرَّض لبلازما النيتروجين) في تقنية الرَحَلَان الكهربي [٤] الخالية من المواد (Electrophoresis technique-EPD).

وتعتبر طاقة الرياح والطاقة الشمسية من المصادر الشائعة بشكل متزايد للطاقة المتجددة. ولسوء الحظ، تمنعهم مشكلات التقطع من الاتصال على نطاق واسع بالشبكة الوطنية. ويتمثل أحد الحلول المحتملة لهذه المشكلة في نشر تقنية البطارية طويلة الأمد، مثل بطارية تدفق الأكسدة والاختزال. وعلى الرغم من أن النظام واعد، فإن التكاليف الحالية لهذا النظام تعد عاملاً محددًا رئيسيًا لاعتماده في العالم الحقيقي. وينبغي أن تكلف بطارية الشبكة ذات الأسعار المعقولة 75 جنيهًا إسترلينيًا / كيلو وات في الساعة، وفقًا لوزارة الطاقة الأمريكية. وتبلغ تكلفة بطاريات الليثيوم أيون، التي تقود تكلفة التخزين الشبكي، حوالي 130 جنيهًا إسترلينيًا / كيلوواط ساعة.

وقد وجد باحثو مجموعة وارويك للتصنيع حديثا طريقة لتحسين بطاريات التدفق الهجين أو تقنية خلايا الوقود المتجددة  التي يمكنها تخزين الكهرباء لفترات طويلة جدًا بحوالي خمس (1/5) تكلفة تقنيات التخزين الحالية، مع مرونة في تحديد الموقع وبأقل تأثير بيئي. وتجمع هذه التقنية بين الأقطاب الكهربائية القائمة على الكربون والإلكتروليتات ذات المصادر الاقتصادية (المنجنيز أو الكبريت، وهما مواد كيميائية وفيرة) عن طريق ترسيب كهربي بسيط ولكنه فعال للغاية لإضافات الكربون النانوية (الجرافين المشبع بالنيتروجين) التي تعزز متانة وأداء القطب بشكل ملحوظ في البيئات شديدة الحموضة أو القلوية.

ونشر الباحثون النتائج التي توصلوا إليها في ورقة بعنوان “خلايا تدفق الأكسدة والاختزال الهجينة ذات الأداء الكهروكيميائي المحسن عبر الجرافين المُغلف بالنيتروجين والمغاط بالكهرباء على أقطاب ورق الكربون” في إصدار ديسمبر 2020 من مجلة أيه سي اس أبلايد ماتريالز اند انترفايسس (ACS Applied Materials & Interfaces).

وقال الدكتور بارون تشاكرابارتي، الباحث في مجموعة وارويك للتصنيع بجامعة وارويك وأحد المؤلفين الرئيسيين في الورقة: “تقنية الرَحَلَان الكهربي هذه ليست بسيطة فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين كفاءة ثلاث بطاريات تدفق هجينة اقتصادية مختلفة وبالتالي زيادة إمكاناتها للتبني التجاري على نطاق واسع لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة”.

وتبلغ التكلفة الكيميائية الإجمالية لبطارية التدفق الهجين حوالي 1/30 من تكلفة البطاريات المنافسة، مثل أنظمة الليثيوم أيون. ويمكن استخدام تقنيات التوسع في تخزين الكهرباء من طاقة الرياح أو الطاقة الشمسية، لعدة أيام إلى مواسم كاملة، مقابل حوالي 15 إلى 20 جنيهًا إسترلينيًا لكل كيلوواط / ساعة. وهذه البطاريات مفيدة أيضًا بشكل كبير لتطبيقات تسوية الحمل على نطاق الشبكة، حيث أن تصميمها مرن للغاية، نظرًا لميزاتها الفريدة في تحديد حجم قوتها بشكل مستقل عن طاقتها. كما أن كثافة الطاقة لبطارية التدفق الهجين، وخاصة نظام البولي-كبريتيد / الهواء (S-Air) ، أعلى 500 مرة من التخزين الكهرومائي الذي يتم ضخه. وكما أنها متراصة أكثر ويمكن وضعها بالقرب من أي وسيلة انتاج طاقة متجددة.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:
https://phys.org/news/2021-01-hybrid-battery-electrodes-nanomaterials.html
لمزيد من المعلومات: بارون كومار تشاكرابارتي وآخرون،  Hybrid Redox Flow Cells with Enhanced Electrochemical Performance via Binderless and Electrophoretically Deposited Nitrogen-Doped Graphene on Carbon Paper Electrodes, ACS Applied Materials & Interfaces (2020). DOI: 10.1021/acsami.0c17616

الهوامش:
[١] مجموعة واوريك للتصنيع (Warwick Manufacturing Group (WMG)) ، هي قسم أكاديمي في جامعة وارويك في إنجلترا، تقدم البحث والتعليم ونقل المعرفة في مجالات الهندسة والإدارة والتصنيع والتكنولوجيا. وتقدم المجموعة درجات علمية وبحثية لطلاب الدراسات العليا، ودورات تدريبية للحصول على درجات علمية، ودورات جامعية في حرم جامعة وارويك. تأسست المجموعة في 1980 من قبل كومار بهاتاتشاريا لدعم إعادة تنشيط التصنيع في المملكة المتحدة من خلال البحث ونقل المعرفة . ويكيبيديا
[٢] جامعة وارويك هي جامعة بحثية عامة في ضواحي كوفنتري بين وست ميدلاندز وارويكشاير، إنكلترا. تأسست عام 1965 كجزء من مبادرة حكومية لتوسيع التعليم العالي. وتأسست كلية وارويك للأعمال في عام 1967 ، وتأسست كلية وارويك للحقوق في عام 1968 ، وكلية كوفنتري للتعليم في عام 1979 ، ومجموعة وارويك للتصنيع في عام 1980 ، وافتتحت كلية الطب في وارويك في عام 2000 .وقد قامت وارويك بتأسيس كلية كوفنتري للتعليم في عام 1979. ويكيبيديا
[٣] تستخدم بطارية التدفق الهجين واحدًا أو أكثر من المكونات النشطة كهربيًا كطبقة صلبة. وفي هذه الحالة، تحتوي الخلية الكهروكيميائية على قطب بطارية واحد وقطب كهربائي واحد لخلية الوقود. وهذا النوع محدود في الطاقة بمساحة سطح القطب. وتشتمل بطاريات التدفق الهجين على بطاريات الزنك- البروم، حمض الرصاص والزنك والسيريوم، وبطاريات تدفق ملح الحديد. ويكيبيديا
[٤] الرحلان الكهربائي هو حركة الجسيمات المشتتة بالنسبة إلى سائل تحت تأثير مجال كهربائي موحد مكانيًا. ويطلق على الرحلان الكهربائي للجسيمات موجبة الشحنة (الكاتيونات) أحيانًا الرحلان الكهربي ، بينما يطلق أحيانًا على الرحلان الكهربي للجسيمات سالبة الشحنة (الأنيونات). ويكيبيديا.