الطاقة
بطارية ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون تُحدث ثورة في عالم التكنولوجيا، حيث تلتقط الكربون أثناء تشغيل الأجهزة
تلتزم Securities.io بمعايير تحريرية صارمة، وقد تتلقى تعويضات عن الروابط المُراجعة. لسنا مستشارين استثماريين مُسجلين، وهذه ليست نصيحة استثمارية. يُرجى الاطلاع على كشف التابعة لها.
قدّم مهندسو جامعة سري بطارية ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون، قادرة على إزالة ثاني أكسيد الكربون من الهواء ضمن عملها الاعتيادي. يتمتع تصميم البطارية المُحسّن بإمكانية التفوق على سابقاتها، مع المساهمة في مكافحة التلوث وتغير المناخ. إليك ما تحتاج لمعرفته.
لماذا تفشل بطاريات الليثيوم أيون في مجال الطاقة الخضراء؟
المستقبل هو للأجهزة اللاسلكية، ويدرك المصنعون الحاجة إلى حلول بطاريات نظيفة. أكثر البطاريات شيوعًا اليوم هي بطاريات الليثيوم أيون. يمكن العثور على هذه البطاريات في الأجهزة اليومية، مثل الهاتف المحمول والسيارة الكهربائية والساعة الذكية. تتميز بطاريات الليثيوم أيون بكثافة جيدة ودورات شحن طويلة، كما أنها ميسورة التكلفة. ومع ذلك، فهي ليست مستدامة، وتظل ملوثًا رئيسيًا في مكبات النفايات عالميًا.
التحديات الرئيسية لبطاريات الليثيوم أيون: السلامة والتكلفة والنفايات
هناك العديد من المشاكل المتعلقة ببطاريات أيونات الليثيوم التي حدّت من فعاليتها وكفاءتها. أولًا، تتطلب استخدام مواد نادرة باهظة الثمن. يصعب الحصول على موارد مثل البلاتين، مما يرفع تكلفة عملية التصنيع بشكل كبير. إضافةً إلى ذلك، أصبح الطلب على معادن الأرض النادرة مصدر قلق أمني للدول التي تسعى الآن إلى ضمان توفر كميات كبيرة من هذه العناصر الأساسية.
تعاني بطاريات الليثيوم أيون أيضًا من قصر دورة حياتها. فتصميم هذه البطارية يُسبب بعض الفقد في كل دورة شحن. وبالتالي، يُقلل أداء بطاريات الليثيوم أيون مع كل دورة. كما أن التخلص منها مُكلف للغاية، وقد يُشكل خطرًا على السلامة في حال عدم شحنها بشكل صحيح أو في حال حدوث خلل حراري.
الانفلات الحراري هو ارتفاع درجة حرارة خلايا بطاريات الليثيوم أيون، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الخلايا المحيطة بها. والنتيجة هي انصهار هائل قد يؤدي إلى حرائق أو حتى انفجارات. وقد وُثِّقت الأضرار الناجمة عن هذه الحوادث جيدًا. وسيُسلِّط بحث بسيط الضوء على تاريخ طويل من حرائق بطاريات الليثيوم أيون حول العالم.
فوق الإمكانات
من المخاوف الأخرى لمستخدمي بطاريات أيونات الليثيوم مشكلة الجهد الزائد. يشير هذا المصطلح إلى كمية الطاقة المستخدمة لبدء تفاعل كيميائي وشحن البطارية. تعاني أنظمة أيونات الليثيوم من ارتفاع الجهد الزائد. ومع ذلك، فإن كل هذا على وشك أن يتغير بفضل بعض العلماء المبدعين.
ما هي بطاريات الليثيوم-CO₂ وكيف تعمل؟
برزت بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون كبديلٍ مُثير. تستخدم هذه البطاريات القابلة لإعادة الشحن غاز ثاني أكسيد الكربون كناقلٍ للطاقة. يوفر هذا الهيكل مزايا رئيسية، مثل تحسين الأداء وزيادة السعة وتحسين جودة الهواء. لذا، يعتقد الكثيرون أن بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون هي الخطوة الأمثل لتحقيق صافي انبعاثات كربونية صفرية في المستقبل.
عيوب بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون الحالية
من أهم عيوب استخدام بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون حاليًا نقص المحفزات الموثوقة والمنخفضة التكلفة. وإدراكًا لهذه الحقيقة، ابتكر المهندسون نسخة جديدة تجمع بين أحدث التطورات في علم المواد والنمذجة الحاسوبية. ويَعِد هذا النهج الجديد بمعالجة قضيتين في آنٍ واحد، هما استهلاك الطاقة وجودة الهواء.
دراسة رائدة لبطارية الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون في جامعة سري
الدراسة1"جهد زائد منخفض للغاية في بطاريات ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون القابلة لإعادة الشحن، مُمكّن بواسطة فوسفوموليبدات السيزيوم كمحفز أكسدة-اختزال فعال"، نُشر في مجلة Advanced Science، ويتناول ""تنفسبطاريات. تستخدم هذه الأجهزة ثاني أكسيد الكربون للتفاعل مع محفز مُصمم خصيصًا، مما يُنشئ حلقة طاقة نظيفة.
تفكيك بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون
كجزء من عمليتهم، ابتكر المهندسون عدة بطاريات ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون باستخدام محفزات مختلفة. ثم قاموا بشحن البطاريات لآلاف دورات الشحن، ما يمثل سنوات من الاستخدام اليومي. ثم قاموا بتفكيك الوحدات بعد انتهاء دورة الشحن لفهم ما حدث من تدهور وتراكم وعوامل أخرى تحد من الأداء بشكل أعمق. والجدير بالذكر أن الفريق لاحظ أن رواسب كربونات الليثيوم ستتشكل، وأنه يمكن إزالتها بسهولة لتمكين البطارية من تحسين دورة شحنها.
نموذج حاسوبي لبطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون
استخدم الباحثون البيانات التي حصلوا عليها من تجاربهم لإنشاء نموذج حاسوبي دقيق. يستخدم النموذج نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) للتنبؤ بالتفاصيل والتغيرات المهمة. عزز النموذج قدرة الفريق على إجراء التجارب الفكرية، وساعدهم على خفض التكاليف الإجمالية مع توسيع نطاق اختباراتهم. كان الهدف هو استخدام النموذج لإيجاد أفضل مادة لإنشاء بنية مسامية مستقرة تدعم التفاعلات الكيميائية اللازمة لتشغيل بطاريات الليثيوم.
فسفوموليبدات السيزيوم (CPM)
بعد إجراء بعض الاختبارات، قرر المهندسون أن فوسفوموليبدات السيزيوم (Cs3PMo12O40، CPM) خيار واعد. استخدم المهندسون CPM كمحفز في بطاريات ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون، ثم أجروا عدة اختبارات. لإنتاج CPM، قام المهندسون بتصنيع المحفزات وطلاء الكاثود.
وُجد أن هذه المادة مثالية لاحتوائها على العديد من المواقع النشطة كهربائيًا وسطحها المُخصَّب بالأكسجين. كما يتميز المركب بتركيبة مسامية فريدة تُعزز متانته وأدائه خلال دورات الشحن، ما يعني أن هذه البطاريات تستهلك طاقة أقل لإعادة الشحن مقارنةً بسابقاتها.
تُعد مسام CPM هذه مثاليةً لأنها تدعم الانتشار الفعال لجزيئات ثاني أكسيد الكربون وأيونات الليثيوم إلى المواقع النشطة. بالإضافة إلى ذلك، تؤدي المسام دورًا آخر، وهو استيعاب نواتج التفريغ. والجدير بالذكر أن حجم الهياكل البلورية يبلغ 2 نانومترًا فقط.
حيود الأشعة السينية للمسحوق (PXRD)
قام المهندسون بمراجعة بنية الشبكة البلورية وتركيبة محفز CPM المُصنّع باستخدام طريقة حيود الأشعة السينية للمسحوق. تعمل هذه الأداة بتركيز الأشعة السينية على البنية وتحليل نمط حيودها.
تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FTIR)
كانت الخطوة التالية تحديد الطاقة المُمتصة أو المُنبعثة نتيجةً للعمليات. استخدم المهندسون مطيافية تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء لإنجاز هذه الخطوة. لاحظ الفريق وجود جسيمات الكيجين أثناء العملية، وهو ما يتوافق مع تنبؤات نموذجهم الحسابي.
وحدات كيجين
بذل الفريق جهدًا كبيرًا لتحديد ما إذا كان ابتكارهم يحتوي على وحدات كيجين مدمجة في سطحه. تشير وحدات كيجين إلى إطار بلوري معروف بمتانته وثباته الهيكلي. وهو التركيب المثالي للبطاريات لأنه يحافظ على بنيته خلال دورة الشحن.
مطيافية الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية (XPS)
استخدم الفريق مطيافية الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية لفهم الحالة الكيميائية للمحفز بشكل أعمق أثناء العملية وبعدها. وحددوا بدقة التركيبة العنصرية للسطح، وعدّلوها لتحسين أداء البطارية وعمرها الافتراضي.
القياس الحراري الوزني (TG)
كانت الخطوة التالية تحديد ما إذا كانت الرطوبة تدخل النظام أم أنها ناتجة عنه. استخدم الباحثون قياس الوزن الحراري لتقييم محتوى الماء في مركب CPM. وكشف الاختبار أن التصميم الجديد قادر على دعم تطوير بطاريات عالية الكثافة.
اختبار بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون
ساعدت سلسلة من التجارب المعملية المهندسين على التحقق من صحة توقعاتهم. أجرى الفريق محاكاة فيزيائية وحاسوبية لتقييم قدرة محفز CPM التحفيزية الكهربائية على تحسين حركية CRR/CER. وخلصوا إلى أن بنيته تتميز بخصائص فريدة تجعلها مثالية للاستخدام كمحفز.
نتائج اختبار بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون
كانت نتائج الاختبار مذهلة. عمل هيكل البطارية الجديد دون أي أعطال. أجرى الفريق 100 دورة شحن عند 50 مللي أمبير/ساعة، مع حد أقصى للسعة يبلغ 1 مللي أمبير/ساعة. ولاحظوا أن الجهاز قادر على تخزين طاقة أكبر، وكان شحنه أسهل من خيارات أيونات الليثيوم التقليدية. ومن المثير للإعجاب أن البطاريات المُحسّنة أظهرت سعة تفريغ ممتازة تبلغ 500 مللي أمبير/ساعة عند 1 مللي أمبير/ساعة، مع كفاءة كولومبية تبلغ 15440%. بالإضافة إلى ذلك، وفّر المحفز جهدًا زائدًا منخفضًا قدره 1 فولت.
أظهرت هذه البيانات أن التصميم الجديد أكثر فعالية بكثير من المحفز التقليدي. فهو يوفر، على وجه التحديد، سعة شحن وتفريغ أعلى وبطاريات ذات جهد زائد أقل. كما يدعم تصميم بطارية ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون استقرارًا طويل الأمد يصل إلى 2 دورات عند 107 مللي أمبير/ساعة، بسعة محدودة تبلغ 50 مللي أمبير/ساعة.
أهم فوائد بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون للطاقة النظيفة
تُقدم بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون فوائد جمة في السوق. أولًا، تُوفر للمستخدمين بديلًا نظيفًا لبطاريات أيونات الليثيوم التي لا تزال تُملأ مكبات النفايات. يُقلل هذا النهج الجديد من النفايات وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري في آنٍ واحد، مما يفتح المجال أمام صناعة البطاريات لإجراء تحسينات جذرية مع الحد من التلوث.
سعة أعلى
يُظهر التقرير أن بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون تُوفر سعةً أعلى من سابقاتها. كما أنها تتميز بجهدٍ زائدٍ أقل بكثير، مما يعني أنها تستهلك طاقةً أقل بكثير للشحن. يُطيل أسلوب الشحن الأقل كثافةً عمر البطارية دون التأثير على أدائها.
بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون أكثر تكلفة.
سبب آخر يدفع مصنعي ومستهلكي البطاريات إلى الإقبال المفاجئ على خيارات بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون هو أنها توفر عملية تصنيع أقل تكلفة. فعندما يجمعون بين انخفاض تكاليف التصنيع وانخفاض الانبعاثات، يبدو بديل الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون وسيلة عملية لتخزين الطاقة النظيفة.
بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون أكثر قابلية للتطوير
حرص الباحثون على أن يتسع نطاق عملهم لتلبية احتياجات المجتمع. فهناك طلب هائل على خيارات الطاقة النظيفة لتشغيل الأجهزة المحمولة. ويرى المهندسون أن تطوير هذه البطارية يُعدّ تحسينًا في التكاليف، بالإضافة إلى ميزة إضافية تتمثل في احتجاز ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز دفيئة ضار.
بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون أكثر كفاءة.
تُعدّ الكفاءة ميزةً أخرى لبطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون مقارنةً بحلول البطاريات الأخرى. ستتمكن هذه البطاريات من الجيل التالي من العمل بكفاءة عبر مجموعة واسعة من حالات الاستخدام. توفر هذه الوحدات سعة طاقة أكبر، ويمكن توسيع نطاقها لضمان ملاءمتها للتطبيق المناسب.
لا للمعادن الأرضية النادرة
المعادن الأرضية النادرة مورد محدود، لكن قيمته تتزايد باستمرار. وهناك بالفعل تعريفات جمركية كبيرة وتشريعات أخرى سارية لحماية وصول القوى العظمى في العالم إلى المعادن الأرضية النادرة. ولعل قرار المهندس بإلغاء الحاجة إلى هذه المعادن في تصميم بطارياته أحد الأسباب الرئيسية لنجاح هذه التقنية.
التطبيقات العملية لبطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون ومتى نتوقعها
هناك العديد من التطبيقات للبطاريات الصديقة للبيئة. يحتاج العالم إلى بدائل نظيفة تُشغّل العدد المتزايد من الأنظمة اللاسلكية المستخدمة يوميًا. قد يُشغّل الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون منزلك وسيارتك وأجهزتك يومًا ما، مع المساعدة في تقليل غازات الاحتباس الحراري الضارة.
السفر إلى الفضاء
يُعد السفر إلى الفضاء تطبيقًا آخر لهذه التقنية. فبينما يواصل العلماء البحث عن سبل لدعم استكشاف الفضاء السحيق وعوالم أخرى، لا بد من البحث عن خيارات طاقة جديدة. يتميز هذا التطور الأخير بمزايا رئيسية، إذ يُمكن تشغيله على كواكب بعيدة مثل المريخ، نظرًا لأن غلافه الجوي يتكون من 95% من ثاني أكسيد الكربون.
الجدول الزمني لبطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون
قد يستغرق وصول بطاريات ثاني أكسيد الكربون إلى المستهلكين حوالي خمس سنوات. التكنولوجيا متوفرة، لكن لا يزال على الفريق إيجاد أفضل نهج لطرح اختراعهم في السوق. والجدير بالذكر أن الطلب المتزايد على الوفاء بالتزامات صافي انبعاثات الكربون الصفرية قد يُعزز هذا الجدول الزمني، ويساعد في جعل دمج خيارات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون أولوية.
باحثون في مجال بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون
استضافت كلية الكيمياء والهندسة الكيميائية بجامعة سري ومعهد التكنولوجيا المتقدمة دراسة بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون. وتضمنت الورقة البحثية الرائدة كلاً من سيدهارث جادكاري ودانيال كوماندور كمؤلفين مشاركين في الدراسة. وحظيا بدعم من ماهسا مسعودي، ونوبي إف. كزافييه الابن، وجيمس رايت، وتوماس إم. روزيفير، وستيفن هيندر، وفلاد ستولوجان، وتشيونغ كاي، وروبرت سي تي سليد.
مستقبل بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون
يسعى الفريق إلى التعمق في دراسة مواد أخرى وكيفية تفاعل هذه المحفزات مع الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات. كما يتطلعون إلى مواصلة استكشاف بولي أوكسوميتالات من نوع كيجين كمحفز أكسدة واختزال ثنائي الوظيفة. يمكن أن تُسهم هذه الخطوات في تحسين جوانب رئيسية من تصميمهم، بما في ذلك الدورة العكسية لبطاريات ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون القابلة لإعادة الشحن.
الاستثمار في قطاع البطاريات
هناك العديد من الشركات العاملة في سوق البطاريات. تغطي هذه الشركات نطاقًا واسعًا، بدءًا من المصنّعين المعروفين من الدرجة الأولى، وصولًا إلى البدائل منخفضة التكلفة، وحتى المنتجات المقلدة. لا يزال الطلب على البطاريات عالية الجودة مرتفعًا. إليكم إحدى شركات تصنيع البطاريات التي لا تزال في وضع يسمح لها بالنجاح، وقد تُدمج بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون في منتجاتها مستقبلًا.
القوة الصلبة
القوة الصلبة (SLDP ) دخلت شركة Solid Power السوق عام ٢٠١١، ويقع مقرها الرئيسي في كولورادو. تهدف الشركة إلى ابتكار بدائل عالية الأداء لبطاريات الحالة الصلبة. منذ انطلاقها، حظيت Solid Power بدعم ونمو كبيرين في السوق. ويعود هذا النمو بشكل رئيسي إلى روحها الابتكارية ومنتجاتها الفريدة التي تستبدل الإلكتروليتات السائلة بخيارات صلبة كبريتيدية. وقد قلل هذا النهج من خطر الحريق أو الانفلات الحراري.
لدى شركة سوليد باور العديد من الشراكات الاستراتيجية مع مُصنّعي السيارات الكهربائية. تهدف هذه الشراكات إلى تعزيز الابتكار ومساعدة السوق على إيجاد بدائل أكثر أمانًا وكفاءة. واليوم، لدى الشركة اتفاقيات مع مجموعة متنوعة من المُصنّعين من مختلف القطاعات، بما في ذلك القطاع الطبي والتصنيعي.
(SLDP )
على الراغبين في شراء سهم بطاريات قوي ذي إمكانات نمو أن يُجروا المزيد من البحث عن SLDP. فشراكات الشركة ومنتجاتها تُثير حماس العديد من المحللين. كما أن هناك طلبًا متزايدًا على خدماتها، مما قد يُسهم في زيادة قيمة السهم خلال الأسابيع المقبلة.
أحدث أخبار وتطورات أسهم شركة Solid Power (SLDP)
بطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون - طاقة نظيفة جاهزة للاستخدام
يمكن لبطاريات الليثيوم-ثاني أكسيد الكربون أن تساعد المهندسين على الحد من مخاطر الحرائق والأضرار الناجمة عن الانفلات الحراري لبطاريات أيونات الليثيوم. هذه الوحدات منتشرة في كل مكان، واستبدالها ببديل أكثر أمانًا وكفاءة قد يُفيد شريحة كبيرة من السكان. ونتيجةً لذلك، يواصل المصنعون والمهندسون بذل الوقت والمال والجهد لتحسين بطاريات اليوم. ولحسن الحظ، يُعزز هذا المنتج الأحدث جهودهم إلى جانب إنتاج الطاقة النظيفة.
تعرف على تطورات الطاقة الرائعة الأخرى الان.
الدراسات المشار إليها:
1. Masoudi, M., Xavier Jr, NF, Wright, J., Roseveare, TM, Hinder, S., Stolojan, V., Cai, Q., Slade, RCT, Commandeur, D., & Gadkari, S. (2025). جهد زائد منخفض للغاية في بطاريات ليثيوم-ثاني أكسيد الكربون القابلة لإعادة الشحن، بفضل فوسفوموليبدات السيزيوم كمحفز أكسدة-اختزال فعال. العلوم المتقدمة، 12(17)، 2502553-XNUMX. https://doi.org/10.1002/advs.202502553
