تمثل بطاريات الليثيوم والكبريت قفزة نوعية كبيرة قادمة في مجال تخزين الطاقة نتيجةارتفاع كثافة الطاقة التي تخزّنها وانخفاض تكلفتها مقارنة ببطاريات أيون الليثيوم التقليدية. ومع ذلك، يعتبراستخدامها على نطاق واسع محدودًا بسبب مشكلة رئيسة واحدة تتجسد بتأثير التنقّل متعدد الكبريتيد، وهي ظاهرة يذوب فيها الليثيوم متعدد الكبريتيد وينتقل من جزءٍ إلى آخر داخل البطارية، ما يؤدي إلى فقدان جزء من السعة وضعف الكفاءة وانخفاض في مدة عملها.
تعاون فريقٌ من الباحثين من جامعة خليفة، شمل الدكتور دينيش شيتي، والدكتور كايارامكودات تشاندران رانجيش وصفا جابر، مع باحثين من المختبر الكيميائي الوطني التابع لمجلس البحوث العلمية والصناعية في الهند وجامعة دريسدن التقنية في ألمانيا، لتطوير حلٍّ مبتكرٍ تمثّل في مادة جديدة لحبس الكبريت تعتمد على الأطر العضوية التساهمية، حيث توفّر هذه المواد حبسًا كيميائيًا وفيزيائيًا قويًّا لليثيوم متعدد الكبريتيد، وهو ما يمنع انتقالها في البطارية ويثبّت أداء البطارية على مدى مئات الدورات.
نشر الفريق البحثي مشروعهم البحثي في المجلة العلميّة "أدفانسد سايِنس" المعنيّة بالعلوم المتقدّمة.
من جهته قال الدكتور دينيش:"أدّى التطوّر السريع للإلكترونيات الحديثة والسيارات الكهربائية إلى تطوير بطاريات قابلة لإعادة الشحن أكثر أمانًا بسعة أكبر وتكاليف أقل، وتُعتبر بطاريات الليثيوم والكبريت القابلة لإعادة الشحن، مرشحًا واعدًا، لكن يظل أداؤها أقل بكثير من قدراتها النظرية على الرغم من البحوث المكثّفة التي تُجرى عليها. وقد استخدمنا عملية تصميم المواد على المستوى الجزيئي لكشف العلاقة بين البنية والنشاط في تعزيز أداء الأقطاب الكهربائية المستضيفة لبطاريات الليثيوم والكبريت".
تُعتبر الأطر العضوية التساهمية فئة من المواد التي تشكل هياكل ثنائية أو ثلاثية الأبعاد من خلال التفاعلات بين مكوناتها العضوية، وينتج عنها روابط تساهمية قوية تخلق مواد بلورية مسامية، وقد صمّم الفريق البحثي الأطر العضوية التساهمية الخاصة بالنانوغرافين المرتبط بالكالكون والذي يعمل كمضيف متقدم للكبريت، حيث توفر هذه الأطر حبسًا مزدوجًا لبطاريات الليثيوم والكبريت من خلال المحاصرة الفيزيائية، وتمنعها البنية الدقيقة التي يسهل اختراقها من الهروب والتثبيت الكيميائي، كما تشكل مجموعات الكالكون والبيريدين روابط قوية في الأطر التساهمية العضوية مع عديد كبريتيد الليثيوم، تساعدها على البقاء في مكانها، فتقمع هذه التفاعلات الجزيئية تأثير التنقّل متعدد الكبريتيد وتسمح باستخدامٍ أكثر كفاءة واستقرارًا للكبريت.
احتفظت البطاريات في تجارب الفريق، بنسبة 80% من سعتها الأصلية حتى بعد 500 دورة، كما حسّنت الخواص الحركية للأكسدة والاختزال معدلات الشحن والتفريغ، ويمكن لهذه التكنولوجيا قريبًا ومع مزيد من التحسين، تشغيل أي شيء بدايةً من السيارات الكهربائية ووصولًا إلى تخزين الطاقة المتجددة على نطاق الشبكة، الأمر الذي يقرّبنا من بلوغ مستقبل أنظف وأكثر استدامة.
ترجمة: مريم ماضي
أخصائية ترجمة وتعريب