يساهم دمج أكسجين الهواء مع الليثيوم في البطاريات في الحصول على طاقة بمعدل خمسة أضعاف الطاقة في البطاريات التجارية
باحث من جامعة خليفة يطور بطاريات الليثيوم الهوائية لتزويد المركبات الكهربائية بالطاقة

يشكل قطاع النقل ما نسبته 24% من انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون الناتج عن احتراق الوقود، لذلك فهو يلعب دورًا محوريًا في الجهود العالمية الرامية للتخلص من الكربون من الغلاف الجوي، حيث أن ثلاثة أرباع هذه الانبعاثات ناجمة عن المركبات في الطرق والمركبات الجوية والسفن، وذلك وفقًا لوكالة الطاقة الدولية.

وللتصدي لمشكلة الاحتباس الحراري وتعزيز فعالية المركبات الكهربائية، قام باحثون من جامعة خليفة ببحث الإنجازات الرئيسة في مجال البطاريات لتطوير نوع جديد منها باستخدام الليثيوم والهواء. ويتميز هذا النوع من البطاريات بالحجم الصغير والوزن الخفيف وفعالية في الطاقة بشكل أكبر من بطاريات الليثيوم الأيونية، مع وجود بعض السلبيات.

وفي هذا الإطار، استخدم كل من طالب الدكتوراه خزار حياة والأستاذة لورديس فيغا، مديرة مركز البحث والابتكار في ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين والدكتور أحمد الحجاج، الأستاذ المساعد في الهندسة الكيميائية، نماذج متعددة لتحديد طريقة إضافة التحسينات على هذا النوع الجديد من البطاريات. ونشر الباحثون نتائجهم البحثية في المجلة الدولية "رينيوابل آند ساستينبل إنيرجي ريفيوز".

وتعتبر بطاريات الليثيوم الأيونية في الوقت الحالي الحل الذي يتم اختياره لتزويد المركبات الكهربائية بالطاقة، فهذا النوع من البطاريات متوفر في كل مكان لتزويد الطاقة لمليارات الأجهزة التي تشمل الهواتف المتحركة والكاميرات وأجهزة اللابتوب والمركبات الكهربائية نظرًا لارتفاع كثافة الطاقة فيها مقارنة بتكنولوجيات البطاريات الأخرى، ويعتبر الليثيوم أيضًا من أخف المعادن وزنًا ويتمتع بالعديد من الخصائص الكهروكيميائية.

من جانبه، قال الدكتور أحمد الحجاج: "تتعدى استراتيجيات إزالة الكربون حدود إنتاج الطاقة، وإحدى هذه الاستراتيجيات هي المركبات الكهربائية، حيث تعد بطاريات الليثيوم القابلة للشحن تكنولوجيا متقدمة ومتوفرة اليوم في الأسواق بفضل سعة التخزين الكبيرة وكثافة الطاقة، إلا أنها تعتبر جزءًا ثقيلًا في المركبة الكهربائية وتوفر أميال محددة ليتم إعادة شحنها من جديد".

وعلى صعيد آخر، تعتمد بطاريات الليثيوم الهوائية على التفاعلات الكيميائية بين الأكسجين والليثيوم لإنتاج تيار متدفق خلال عملية تفريغ الإلكترونات والأيونات من القطب السالب إلى القطب الموجب، حيث يساهم ارتباط الليثيوم بالأكسجين المحيط به في الهواء في تكوين خلايا تتمتع بأعلى قدر ممكن من الطاقة في البطارية.

وتساهم الأيونات المتنقلة ما بين الأقطاب السالبة والموجبة في تخزين الطاقة، حيث تتبع الإلكترونات أثناء تشغيل البطارية الدارة الخارجية لتزويد الجسم المراد شحنه بالطاقة لتنتقل أيونات الليثيوم إلى القطب الموجب. وعند شحن البطارية، تتجمع أيونات الليثيوم في القطب السالب وتطلق الأكسجين من القطب الموجب.

ويمكن للبطاريات استخدام محاليل أيونية مائية أو محاليل أيونية غير مائية لا تتفاعل مع الليثيوم. ويركز فريق جامعة خليفة بحثه على إبراز نواحي التقدم في مجال بطاريات الليثيوم الهوائية غير المائية.

وأضاف الدكتور أحمد: "لا تزال كفاءة بطاريات الليثيوم الهوائية لا ترتقي للمستوى المطلوب على الرغم من البحوث الموسعة لتعزيز فعالية التخزين فيها خلال العقدين الماضيين، كما يعتبر تطوير أقطاب موجبة جديدة لتحسين مستوى كفاءتها ليس أمرًا سهلًا. لذلك، لا بد من النمذجة المتعددة اللازمة لمحاكاة طريقة أداء مجموعة متنوعة من المواد، وبالتالي الخروج بالمعلومات التي من شأنها أن تساهم في تصميم هياكل قطبية موجبة جديدة".

توصل الباحثون بعد التجارب العملية إلى أن بطاريات الليثيوم الهوائية تنتج ما يقارب 6.12 ميغا جول لكل كيلوغرام، وهي نسبة تعادل خمسة أضعاف قدرة بطاريات الليثيوم الأيونية التجارية.

وفي السياق، تساهم النمذجة في تسريع عملية الفهم والتطوير والخروج بالمعلومات المتعلقة بسلوك المواد وخصائصها في الهياكل المعقدة.

ومن خلال الاستعانة بتقنيات النمذجة، وجد الفريق البحثي أن أحجام المسام وشكلها وعددها في القطبين السالب والموجب تشكل عوامل أساسية في فعالية تفريغ بطاريات الليثيوم الهوائية خلال عملية الشحن، حيث قام الباحثون بنمذجة العديد من أشكال المسام بشكل منفصل للتأكد من أثر شكلها، والذي قد يكون أسطواني أو منبسط أو كروي، في فعالية التفريغ في خلايا البطارية. واستفاد الباحثون من نتائج النمذجة في ضبط حجم وشكل المسام للحصول على أكبر قدر ممكن من سعات التخزين.