يمكن للتصميم الجديد أن يشحن المزيد من الطاقة ويدوم لمدة أطول من الأنواع الأخرى

تتميّز بطاريات (الليثيوم-أكسجين) بأنها ذاتُ كثافةٍ طاقيّةٍ عالية، وتُصنع من موادَ أكثر استدامة من خلايا (الليثيوم-أيون) النموذجية، وهي مرشحٌ واعدٌ للجيلِ القادمِ من البطارياتِ القابلةِ لإعادةِ الشّحن.
لا تُستخدم بطارياتِ (الليثيوم-أكسجين) حالياً على نطاقٍ واسعٍ، لأنها تفقد مخزون شحنها بسرعة.
نجح الباحثون بتحسين بطاريات (الليثيوم-أكسجين)، وذلك بتعديل المواد الداخلة في صنعها، فبات بإمكانها تخزين المزيد من الطاقة، والاستمرار في العمل لمدّةٍ أطولَ مقارنةً بالأنواعِ السابقة.
تحدّثت مجلة “Science” ساينس العلمية في شهر آب (العدد 24) عن البطارية المعدّلة الجديدة، فقد تصبح مصدراً أكثرَ موثوقيةً للطاقةِ وللكثافةِ الطاقيّة للسياراتِ الكهربائيّة أو الأجهزة الالكترونية المختلفة. بإمكان هذه البطارية أن تقدّم ما يقارب 100% من شحنتها المخزّنةِ، ويمكن إعادةُ شحنها 150 مرة على الأقل.
تصنّع خلايا (الليثيوم–أكسجين) من قطبين كهربائيين، مصعد ومهبط مفصولة بمادة تدعى (الكتروليت). عندما تعمل البطارية على تشغيل جهازٍ آخر، تتحد جزيئات الأكسجين على المهبطِ مع أيونات الليثيوم من (الإلكتروليت) لتشكيل مركب صلب يسمى “بيروكسيد الليثيوم”. هذا التفاعل الكيميائي يطلق الطاقة. إعادة شحن البطارية تفكك “بيروكسيد الليثيوم”، وتعيد الأكسجين والليثيوم إلى مواقعِهمُ الإبتدائيّة. لكنَّ تشكّل “بيروكسيد الليثيوم” يولّدُ العديدَ من المنتجاتِ الثانويّةِ الكيميائيّةِ غير المرغوبِ بها والتي تهدرُ الطاقة. نتيجةً لذلكَ قد تتمكّنُ بطاريةُ (الليثيوم-أكسجين) من توصيلِ 80٪ فقط من شحنتها الكهربائيّةِ المخزّنةِ إلى الجهازِ الذي يتمُّ تشغيله.
وتسبّبُ هذهِ الموادُ الكيميائيّةُ المزعجة الأضرار أيضاً في إلكتروليتِ البطاريةِ وقطبها الموجب، لذا فإنَّ البطارياتِ غالباً ما تفشل بعد بضعِ عشراتٍ من عمليات إعادة الشحن، كما يقول Larry Curtiss (لاري كيرتيس) الكيميائيُ في مختبرِ Argonne National Laboratory (أرغون الوطني) في ولاية ايلينوي، الذي لم يشارك في العمل.
من أجلِ إنشاءِ بطارية (ليثيوم–أكسجين) أفضل، استبدلَت عالمةُ الكيمياءِ Linda Nazar (ليندا نزار) وزملاؤها من جامعة Waterloo (واترلو) في كندا الإلكتروليت العضوي النموذجي بالملحِ المنصهرِ غير العضوي، والمهبطَ القياسي ذو الأساسِ الكربوني بآخرَ معدني.
البلورات المتشكّلة
عند استخدام بطارياتِ (الليثيوم-أكسجين) النموذجية: تتشكّل بلورات “بيروكسيد الليثيوم” على سطحِ المهبطِ (البلوراتُ السداسيّة المبيّنة في صورةِ المسحِ الضوئيّ للمجهرِ الإلكترونيّ إلى اليمين).
وبدلاً من ذلك، يعمل تفريغُ بطارية (الليثيوم–أكسجين) الجديدة على تشكيلِ “أكسيد الليثيوم” على المهبط (البلوراتُ ثُمانيّة السطوح إلى اليسار) مما يسمحُ للبطاريةِ بتوصيلِ المزيدِ من الطاقةِ وتدومُ لفترةٍ أطول.
C. XIA, C.Y. KWOK AND L.F. NAZAR/SCIENCE 2018
في هذه البطاريةِ الجديدة، يجمع الأكسجين مع الليثيوم لإنشاء “أكسيد الليثيوم”. يمكنُ لهذا التفاعلِ الكيميائي تخزينُ طاقةٍ أكثرَ بنسبةِ 50 في المئةِ من تفاعلِ “بيروكسيد الليثيوم”. ونتيجةً لذلك، يمكن أن يُنتجَ التصميم الجديد بطارياتٍ ذات كثافةٍ طاقيّة أعلى منَ الإصدارِ السابق.
والأكثر من ذلك، لا يُنتج “أكسيد الليثيوم” المواد الكيميائيّةَ الثانوية المزعجةَ التي يعملُ بها “بيروكسيد الليثيوم”.
يسمحُ ذلكَ لبطارية (الليثيوم-أكسجين) الجديدة بتفريغِ كلِّ شحنتها الكهربائية المخزنةِ تقريباً إلى أجهزةٍ أُخرى، وإعادةُ شحنها مراتٍ عدة أكثر من خلايا (الليثيوم- أكسجين) السابقة.
ويمكن استخدام هذه البطارياتِ الجديدةِ في نهايةِ المطافِ لتزويدِ السياراتِ الكهربائيةِ بالطاقة ولكن، كما يقول كيرتيس، لا تزالُ هناك سبلٌ كي نخوضها قبلَ أن يتمَّ استخدامها فعليًا في الشاحنات.
هذا لأنَّ البطارياتِ الجديدة يجبُ أن يتم تسخينها إلى 150 درجة مئوية على الأقل كي تعمل.
وتقول Yang Shao-Horn (يانغ شاو-هورن) الباحثةُ في مجالِ الطاقة والموادِ في معهدِ ماساتشوستس للتكنولوجيا التي ظهرَ تعليقها على الدراسةِ في نفس العدد من مجلة “ساينس” العلمية ” إنّ تغيير المادة المستخدمة في إلكتروليت البطارية قد يؤدي إلى انخفاضِ درجة حرارة التشغيل”. كما يمكن أن تستخدم بطاريات الليثيوم-أكسجين هذه كمصادر طاقة صغيرة للطائرات والمركبات الفضائية والغواصات.