تتوفر بطاريات الليثيوم الأيونية بشكل كبير في العديد من الأجهزة التي تشمل الهواتف المتحركة والكاميرات وأجهزة اللابتوب والدراجات الإلكترونية الصغيرة والمركبات الإلكترونية نظرًا لكثافة الطاقة الناتجة عن الليثيوم وخفته التي يمتاز بها دونًا عن جميع المعادن، إضافة لإمكانياته الكهروكيميائية الكبيرة. وفي إطار زيادة الطلب على البطاريات، يواجه الليثيوم العديد من التحديات لمواكبة التطورات الحاصلة اليوم، وهو ما يستدعي ضرورة إيجاد البدائل لهذا المعدن.
وفي هذا الصدد، قام الدكتور شاشيكانت باتولي، الأستاذ المساعد في الفيزياء في جامعة خليفة، بنشر ورقة بحثية يستعرض فيها قدرات المواد المعدنية العضوية في البطاريات. وقد شارك الدكتور شاشيكانت في الورقة البحثية كل من الدكتور أنوكول ثاكور من المعهد الكوري لعلوم المواد والدكتور مانديرا ماجومدير من الكلية الفرنسية والدكتور كريم زغبيب من جامعة مكغيل والدكتور إم في ريدي من جامعة سنغافورة الوطنية، حيث تم نشر الورقة البحثية في المجلة العلمية المرموقة "ماتيريالز أدفانسز".
وبدوره، قال الدكتور شاشيكانت: "ساهم التركيب المدمج لبطاريات الليثيوم الأيونية بشكل كبير في إحداث ثورة في عالم المعدات الإلكترونية من خلال إضافة بعض الخصائص كصغر الحجم والفعالية والمرونة وسهولة التنقل، وقد تصل تكنولوجيا بطاريات الليثيوم الأيونية بعد أربعة عقود من البحوث المكثفة والتطوير إلى نقطة النهاية، في حين أن الطلب على الكثافة العالية للطاقة سيستمر بالتزايد".
ومن ناحية أخرى، يقوم بعض الباحثين في الوقت الحالي ببحث سبل تحسين أنظمة الليثيوم الأيوني من خلال إحداث تغيير في الأقطاب السالبة والموجبة والمواد الكهربائية، حيث أن الاستخدام المتواصل لليثيوم في هذا النوع من البطاريات يشكل قضية تستدعي الوقوف عليها نظرًا لمحدودية توفر الليثيوم، لا سيما وأنه يُستخرج من المياه المالحة المستخدمة في عمليات إنتاج الطاقة والمياه.
وأضاف الدكتور شاشيكانت: "ساهم التوسع السريع في بطاريات الليثيوم في مختلف التطبيقات في زيادة تكلفة المواد الخام بشكل كبير، ويكمن الحل لتلك المشكلة في توظيف أنظمة تتمتع بآليات لحفظ الشحنات".
ويسلط فريق الدكتور شاشيكانت الضوء في الورقة البحثية على التحديات التي يشهدها تطوير تكنولوجيات البطاريات المعدنية العضوية والطرق الممكنة للتغلب على تلك المشكلات.
وتُعرف المواد المعدنية العضوية باحتوائها على أسطح مسامية متميزة مرنة وأسطح داخلية ذات خصائص قابلة للتعديل حسب الحاجة. إضافة لذلك، يمكن صنعها بمواد متوفرة بكثرة وبتكلفة اقتصادية منخفضة كالصوديوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم والألمنيوم.
وترتبط الأيونات المعدنية مع بعضها عبر روابط عضوية لينتج عن ذلك عدد لا نهائي من أشكال المسام والأحجام والخصائص الفيزيائية في المواد المعدنية العضوية. ومن خلال التعديل على تركيبة تلك المواد، تتغير خصائصها لتنتج خصائص جديدة تشمل المسامية والشكل الجسيمي والاستقرار الكيميائي وفعالية التوصيل لتتناسب مع تطبيقات معينة.
وأظهرت المواد المعدنية العضوية فعاليتها كمواد كهربائية قطبية وأيضًا كمحفزات في بطاريات المعادن الهوائية ومُستقبلات للكبريت في بطاريات كبريتيد المعادن.
وقال الدكتور شاشيكانت: "تعتبر الخصائص المسامية وتوزيع أحجامها أمرًا هامًا في جميع المواد الكهربائية القطبية، حيث تقوم بدور محوري في إضافة الخصائص المطلوبة في المواد المعدنية العضوية، ويمكن لهذه المواد كذلك أن تقوم بدور القطب السالب والقطب الموجب في البطاريات القابلة للشحن بسبب اتساع أسطحها المسامية، كما يمكنها حفظ الشحنات بشكل فعال وهو ما يجعلها الحل الأنسب لجميع أنواع البطاريات".
وأشار الفريق البحثي إلى أهمية الدور الذي يقوم به التركيب النانوي المتقدم في المواد المعدنية العضوية والذي يكمن في إظهار الفعالية في الأداء في الظروف الصعبة وسهولة وصول المتفاعلات إلى المواقع النشطة وكفاءة انتقال الإلكترونات في مساراتها.
يُذكر أنه لا تزال هناك بعض التحديات التي تواجه المواد المعدنية العضوية. لذلك، يقوم الباحثون في الوقت الراهن بتطوير تقنيات متقدمة لتحديد الخصائص والفهم العميق والأساسي للعلاقة بين تركيبة المواد المعدنية العضوية وأدائها بهدف إنتاج مواد فعالة يمكن الاستفادة منها عمليًا في أجهزة حفظ الطاقة في المستقبل القريب.