نشر الدكتور نيربندرا سنغ، الأستاذ المساعد في الفيزياء في جامعة خليفة مع فريقه البحثي مؤخرًا ثلاث ورقات بحثية تركز على تطوير المواد لعدد من التطبيقات بهدف إنتاج الطاقة المتجددة.
وتكشف هذه البحوث عن مواد جديدة قد تساهم في تحسين أداء المواد الكهربائية الحرارية التي تقوم بتحويل الحرارة إلى كهرباء بطريقة فعالة كبطاريات الكبريت ذات الكثافة الطاقية العالية والتي قد تحل محل بطاريات أيونات الليثيوم التقليدية.
دراسة ديناميكيات فونونات هاليدات النحاس البديلة
قام الفريق البحثي المكون من الدكتور نيربندرا والدكتور دالافير أنجوم، أستاذ مساعد، والدكتور غوبند داس، أستاذ مشارك والدكتور عصام قطان، أستاذ مشارك والدكتور شاشيكانت باتولي، أستاذ مساعد وجميعهم من قسم الفيزياء في جامعة خليفة، إلى جانب الدكتور محمد سجاد من جامعة لوليا في السويد ويعمل في الوقت الحالي في جامعة خليفة، بالبحث في ديناميكيات الفونونات لمركبين من النحاس بهدف تحديد فعاليتها في إيصال الحرارة، وتم نشر الدراسة في المجلة العلمية المرموقة "إيه سي إس أوميغا".
ويلعب انتقال الفونونات في المواد دورًا هامًا في تحديد الأداء الكهربائي الحراري. وفي هذا الصدد، بحث فريق الدكتور نيربندرا مركبين من النحاس وهما، ثيوساينيت النحاس وسيلينوساينيت النحاس واللذان تم اختيارهما للاستخدام الكهروضوئي واسع النطاق وبتكلفة اقتصادية منخفضة، لكن حتى الآن لم تتم دراستهما بشكل معمق من ناحية انتقال الفونونات. لذلك، قرر الفريق البحثي إجراء دراسة شاملة تركز على الانتقال الحراري للفونونات بالاستعانة بمنهجية حاسوبية حديثة ومتطورة أكدت أن ارتفاع معدلات انتشار الفونونات في سيلينوساينيت النحاس يشير إلى تدني مستوى التوصيل الحراري، والذي يدل بدوره على فعالية الأداء الكهروحراري لمركب ثيوساينيت النحاس.
وبينما تعتبر المواد الشفافة ضرورية لجمع الطاقة المتجددة، فإن المواد الكهروحرارية في غاية الأهمية في مجال تحويل الحرارة إلى طاقة متجددة، ومن الأمثلة على المواد الكهروحرارية مادة البيروفسكايت، وهي مادة خالية من الرصاص وتحتوي على كل من السيسزيوم والبلاتين.
وقام كل من الدكتور نيربندرا والدكتور محمد سجاد والدكتور جي أندرياس لارسون من جامعة لوليا للتكنولوجيا السويد بكتابة تقرير حول خصائص انتقال الإلكترونات والفونونات في مادة البيروفسكايت وتم نشره مؤخرًا في المجلة العلمية المرموقة "إيه سي إس أبلايد إنيرجي ماتيريالز".
توصل الباحثون إلى أن مادة البيروفسكايت أظهرت أداءً كهروحراريًا عاليًا في درجة حرارة الغرفة وعند ارتفاعها أيضًا، وهو ما يستوجب التركيز على طرق الاستفادة من هذه المادة في التطبيقات الكهروحرارية. وأكد الدكتور نيربندرا على ضرورة إيجاد مواد كهروحرارية بديلة بهدف استخدامها في مجال إنتاج الطاقة مستقبلًا.
ومع تزايد إنتاج الطاقة المتجددة، تظهر الحاجة إلى عمليات حفظ الطاقة نظرًا لحقيقة أن مصادر الطاقة المتجددة متقطعة. وفي الوقت الحالي، يتم استخدام بطاريات أيونات المعادن، إلا أن انخفاض مستوى كثافة طاقتها وارتفاع تكلفتها الاقتصادية النسبي يحول دون الاعتماد عليها على نطاق واسع.
وفي هذا الإطار، ظهرت بطاريات كبريتيدات المعادن القلوية كخيار مبشر مستقبلًا، لا سيما في التطبيقات التي تتطلب سعات كبيرة لحفظ الطاقة، إلا أن تلك البطاريات تعاني من مشكلة ما يُسمى بـ "التأثير المكوكي" التي تذوب من خلالها الجسيمات المعدنية والتي يُطلق عليها متعددات الكبيريتيد لتصبح إلكتروليت البطارية وتنتقل من الكاثود إلى الأنود في الكبريت. وتؤدي تلك العملية إلى انخفاض في سعة البطارية وضعف الأداء عند الشحن.
وللتصدي لمشكلة التأثير المكوكي، قام الدكتور نيربندرا والدكتور محمد سجاد والدكتور جي أندرياس لارسون والدكتور تنفير حسين من جامعة كوينزلاند ببحث استخدام مواد ثنائية الأبعاد قادرة على الاحتفاظ بجسيمات المعدن ووقف عملية انتشرها. ونشر الباحثون نتائج دراساتهم في المجلة العلمية "لانغمير".
ووجد الباحثون من خلال دراساتهم أن المواد ثنائية الأبعاد ساهمت في حفظ متعددات كبيريتيد المعدن في كاثود الكبريت، إضافة لقدرتها على التوصيل الكهربائي من خلال كاثود الكبريت في البطاريات المكونة من كبيريتيد المعدن.
يذكر أن استهلاك الطاقة يتزايد يومًا بعد يوم، لذلك يعد البحث عن مواد جديدة قادرة على إنتاج الطاقة الشمسية المتجددة وحفظها بشكل أكثر فعالية أمرًا رئيسًا لتلبية متطلبات العالم التي تشهد نموًا متسارعًا وبشكل مستدام.