بطاريات الكالسيوم بدائل رخيصة وآمنة لأنظمة الليثيوم أيون
ظل تطوير بطاريات الكالسيوم القادرة على أن تحل محل نظيرتها بطاريات الليثيوم أيون حلماً طالما راود خيال العلماء الذين يشعرون بقلق إزاء محدودية إمدادات الليثيوم في المستقبل.
بطاريات الكالسيوم
والكالسيوم هو المعدن ثنائي التكافؤ الأكثر وفرة على كوكب الأرض ويمكن لهذه البطاريات المصنعة من هذا المعدن أن تقدم من الناحية النظرية بديلاً أرخص وأكثر كثافة للطاقة لبطاريات الليثيوم أيون.
ووفق نتائج دراسة نشرتها دورية نيتشر العلمية (Nature) قال علماء من جامعة فودان الصينية إنهم طوروا بطاريات الكالسيوم القابلة لإعادة الشحن والقادرة على تقديم بديل أرخص ثمناً وأكثر استدامة لتقنية الليثيوم.
كذلك أقدم العلماء على دمج بطارية الكالسيوم-أكسجين في الألياف لتصنيع بطارية مرنة لديها القدرة على تشغيل هاتف ذكي.
إنجاز هو الأول من نوعه
ويتم صنع هذه البطاريات 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 إن البطارية لديها القدرة على تحويل كيمياء الكالسيوم إلى تقنية تخزين كهرباء مستدامة واعدة.
وتتميز بطاريات الليثيوم أيون بكثافة الطاقة العالية أو سعة تخزين الكهرباء نسبة إلى الوزن أو الحجم ويتم استعمالها على نطاق واسع عالمياً في حزمة واسعة من التطبيقات في مقدمتها السيارات الكهربائية.
مخاوف نقص الليثيوم
ومع ذلك فإن ضمان إمدادات موثوقة من الليثيوم لا غنى عنه للتوسع في الصناعات المستدامة مثل تخزين الكهرباء المتجددة والسيارات الكهربائية.
وكالة الطاقة الدولية توقعت أن يشهد العالم نقصاً في معدن الليثيوم خلال العام المقبل 2025 مع تزايد الطلب المطرد على السيارات الكهربائية وسط مساعٍ عالمية حثيثة لتحقيق أهداف الحياد الكربوني.
وأقر الاتحاد الأوروبي تشريعاً جديداً يمكنه من الحصول على الليثيوم والمعادن الاستراتيجية الأخرى من خلال إبرام صفقات مع دول ثالثة صديقة بما في ذلك مشروعات تعدين الليثيوم المثيرة للجدل التي قد تكون ضارة في الوقت نفسه ومكلفة للغاية كما أنها تستلزم كميات كبيرة جداً من المياه.
بطاريات الكالسيوم بدائل أرخص ثمناً
وحسب الدراسة من المتوقع أن تكون بطاريات الكالسيوم أرخص ثمناً وأكثر أماناً 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 وغالباً 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.
تحد كبير
ولكن واجه الباحثون تحدياً عصيباً يتمثل في اكتشاف إلكتروليت المكون الموجود في البطارية الذي يمكنها من الشحن والتفريغ لا يتسبب في تفاعلات مع الكالسيوم من شأنها أن تؤثر سلباً في سعة البطارية.
ولحل تلك المعضلة صنع فريق البحث الصيني إلكتروليت سائلاً لديه القدرة على احتواء مكونات الكالسيوم والأكسجين في البطارية.
ومن الممكن أن توفر بطاريات الكالسيوم القابلة لإعادة الشحن التي أنتجها الباحثون بديلاً أرخص ثمناً لنظيرتها المصنوعة من الليثيوم أيون وبتطبيقات مصاحبة عديدة وأكثر تنوعاً.
بطاريات نسيجية
هذا وقال الباحثون إن بطارية الكالسيوم-أكسجين تُظهر استقراراً 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.
وباستعمال آلة تجديل تجارية حول العلماء بطاريات الألياف تلك إلى بطاريات نسيجية مرنة يمكنها تشغيل الأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة.
بينما 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.