Language
Country/Area
No result found
ثورة بطاريات الليثيوم الهوائية: لماذا استعاد العلماء اهتمامهم بها بعد العقد الأول من القرن الحادي والعشرين؟
بطارية ليثيوم الهواء (Li-air) هي بطارية كهروكيميائية معدنية-هواء تستخدم تفاعل أكسدة الليثيوم عند الأنود وتفاعل اختزال الأكسجين عند الكاثود لتوليد تيار كهربائي. يتوقع العلماء أن الجمع بين الليثيوم والأكسجين المحيط يمكن أن يؤدي نظريًا إلى خلايا كهروكيميائية تتمتع بأعلى طاقة محددة ممكنة. وفقًا للبحث، يمكن لبطاريات الليثيوم-الهواء اللامائية نظريًا أن تصل إلى طاقة محددة تبلغ حوالي 40.1 ميجا جول/كجم في حالة الشحن (باستخدام Li2O2 كمنتج باستثناء كتلة الأكسجين)، وهو ما يشبه الطاقة النوعية النظرية للبنزين التي تبلغ حوالي 46.8 قريب جدًا من ميجاجول/كجم.
على الرغم من أن بطارية الليثيوم-الهواء الحالية لم تصل بعد إلى المستوى النظري في الأداء، إلا أن طاقتها المحددة المحتملة تبلغ حوالي خمسة أضعاف طاقة بطاريات الليثيوم أيون التجارية ويمكنها تحقيق مدى يصل إلى حوالي 500 كيلومتر، وهو ما جذب مرة أخرى اهتمام المجتمع العلمي بهذه التكنولوجيا.
من الناحية التاريخية، تم اقتراح مفهوم بطاريات الليثيوم الهوائية في وقت مبكر من السبعينيات، في البداية كمصدر للطاقة للسيارات الكهربائية والمركبات الهجينة. ولكن نظرًا للتحديات التقنية التي تواجهها البطارية، بما في ذلك وقت الشحن العكسي، والحساسية للنيتروجين والماء، وضعف التوصيل الداخلي للبطارية، فقد اعتُبر هذا المفهوم في ذلك الوقت ينطوي على مخاطر غير متناسبة مقارنة بالفوائد. ونتيجة لذلك، تقدمت الأبحاث في مجال بطاريات الليثيوم الهوائية ببطء حتى أواخر العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، عندما استعاد هذا المجال الاهتمام بسبب التقدم في علم المواد.
آلية التصميم والتشغيل
مبدأ التشغيل الأساسي لبطاريات الليثيوم الهواء هو أن أيونات الليثيوم تتحرك بين الأنود والكاثود في المنحل بالكهرباء. أثناء تفريغ البطارية، يتم تحويل الإلكترونات إلى طاقة كهربائية من خلال دائرة خارجية، بينما تنتقل أيونات الليثيوم إلى الكاثود. أثناء الشحن، يترسب معدن الليثيوم على الأنود ويتم إطلاق الأكسجين من الكاثود.
تحديات الكاثود والأنود
في تصميم بطاريات الليثيوم الهوائية، غالبًا ما يستخدم معدن الليثيوم كالأنود. يطلق الليثيوم إلكترونات عند الأنود، ولكن هذا أيضًا يجعل الأنود يواجه تحديات متعددة، مثل التفاعل مع المنحل بالكهرباء، وترسب الليثيوم المتغصن، والتغيرات الكيميائية في واجهة المنحل بالكهرباء. يمكن أن تؤدي هذه التحديات إلى انخفاض سعة الطاقة أو خطر حدوث دوائر قصيرة.
على جانب الكاثود، يواجه تفاعل اختزال الأكسجين أيضًا مشاكل التراكم المفرط للمنتج وانخفاض كفاءة المحفز، مما يؤثر بشكل كبير على الأداء الأساسي لبطاريات الليثيوم الهوائية.
ابتكار المنحل بالكهرباء
من أجل حل التحديات التقنية المذكورة أعلاه، بدأ الباحثون في استكشاف مجموعة متنوعة من تصميمات الإلكتروليتات، بما في ذلك الإلكتروليتات الحمضية المائية والقلوية واللامائية. كل نهج المنحل بالكهرباء له مزاياه وعيوبه المحددة، ولكن هناك مجال لمزيد من التحسين.
التسويق والآفاق المستقبلية
على الرغم من أن أداء بطاريات الليثيوم والهواء في المختبر مشجع، إلا أنه لا تزال هناك العديد من الصعوبات التي يجب التغلب عليها على طريق التسويق. على سبيل المثال، يجب معالجة قضايا مثل الاستقرار على المدى الطويل ودورة الحياة. يظل طلب صناعة السيارات على البطاريات، وخاصة البطاريات ذات كثافة الطاقة العالية، هو القوة الدافعة الرئيسية لتطوير بطاريات الليثيوم الهوائية.
نظرا للضغوط المزدوجة المتمثلة في الطلب على الطاقة والمخاوف البيئية، فإن أبحاث العلماء لن تتوقف أبدا. فهل يتم التوصل إلى حل خارق في المستقبل من شأنه أن يؤدي إلى تسويق تكنولوجيا بطاريات الليثيوم الهوائية؟
في المستقبل، تتمتع بطاريات الليثيوم الهوائية بالقدرة على أن تصبح الخيار السائد لقيادة السيارات الكهربائية. وهذا ليس فقط لأن كثافة الطاقة العالية يمكن أن تزيد بشكل كبير من نطاق الإبحار، ولكن أيضًا لأنها قد تجعل تخزين الطاقة المتجددة أكثر كفاءة. ومع ذلك، فإن القيود المفروضة على التكنولوجيا الحالية تتطلب من الباحثين مواصلة العمل الجاد واستكشاف مسارات أكثر ابتكارا. هل ستغير بطاريات الليثيوم-الهواء يومًا ما طريقتنا في السفر الكهربائي؟
