حقق علماء من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) تقدمًا علميًا بارزًا في مجال تقنيات تخزين الطاقة المستدامة، بعد أن كشفوا عن سبب جزيئي رئيسي يحدّ من قدرة البطاريات المائية القابلة لإعادة الشحن على أن تكون خيارًا أكثر أمانًا وأقل تكلفة لتخزين الطاقة.
فقد أظهرت نتائج الدراسة، المنشورة في المجلة العلمية (Science Advances)، كيف تؤثر المياه داخل البطارية سلبًا في عمرها وأدائها، والأهم من ذلك، وجدت الدراسة أن إضافة أملاح منخفضة التكلفة، مثل: كبريتات الزنك، يمكن أن تحدّ من هذه المشكلة، وتزيد من عمر البطارية بأكثر من عشرة أضعاف.
ويفتح هذا الاكتشاف آفاقًا جديدة لتطوير بطاريات أكثر كفاءة واستدامة، مما يسهم في تعزيز حلول تخزين الطاقة المتجددة في المملكة العربية السعودية.
ما نقاط الضعف الرئيسية في عمر البطاريات المائية؟
يُعدّ المَصْعَد (الأنود) – وهو مسرى كهربائي يمر خلاله تيار كهربائي ضمن جهاز كهربائي ذي أقطاب – أحد العوامل الحاسمة في تحديد عمر البطارية، سواء كانت مائية أم لا، إذ تحدث فيه التفاعلات الكيميائية المسؤولة عن توليد الطاقة وتخزينها، ولكن بعض التفاعلات الجانبية غير المرغوبة تؤدي إلى تدهوره، مما يقلل من عمر البطارية.
وقد أظهرت الدراسة الجديدة أن المياه الحرة – أي جزيئات الماء غير المرتبطة بقوة بجزيئات أخرى – تساهم في حدوث هذه التفاعلات الجانبية، إذ تسمح المياه الحرة بالتفاعل بسهولة مع المزيد من الجزيئات، مما يؤدي إلى تفاعلات غير مرغوبة تستهلك الطاقة وتتلف المَصْعَد.
حل كبريتات الزنك:
أوضحت الدراسة أن وجود كبريتات الزنك يقلل من كمية المياه الحرة داخل البطارية، وأكد البروفيسور حسام الشريف، أستاذ ورئيس مركز كاوست للتميّز في الطاقة المتجددة وتقنيات التخزين (CREST)، وقائد الفريق البحثي في هذه الدراسة، أن النتائج تسلط الضوء على أهمية بنية المياه في كيمياء البطاريات، وهي عامل رئيسي مُتجاهل سابقًا.
كما أظهرت الدراسة أن أيونات الكبريتات تعمل بمثابة (لاصق للماء)، إذ تُثبت الروابط بين جزيئات المياه الحرة، وتغيير ديناميكيتها، مما يُقلّل من عدد التفاعلات الكيميائية الضارة التي تُضعف أداء البطارية.
قابلية التطبيق العالمي والأهمية الاقتصادية:
مع من أن الجزء الأكبر من التجارب التي أجرتها كاوست تركزت في بطاريات تستخدم كبريتات الزنك، ولكن النتائج الأولية تشير إلى أن التأثير الإيجابي نفسه يحدث مع مصاعد معدنية أخرى، مما يفتح المجال أمام استخدام أملاح الكبريتات كحل عالمي لزيادة عمر جميع البطاريات المائية القابلة لإعادة الشحن.
وأشار الدكتور يونبي زو، الباحث في كاوست الذي أجرى معظم التجارب، إلى أن أملاح الكبريتات منخفضة التكلفة ومتوفرة على نطاق واسع ومستقرة كيميائيًا، مما يجعل حل كاوست قابلًا للتطبيق من الناحية العلمية والاقتصادية.
وتحظى البطاريات المائية باهتمام عالمي متزايد كحل مستدام لتخزين الطاقة على نطاق واسع، ومن المتوقع أن يتجاوز حجم سوقها 10 مليارات دولار بحلول عام 2030. وعلى عكس بطاريات الليثيوم الشائعة، تُعدّ البطاريات المائية خيارًا أكثر أمانًا وأقل بصمة بيئية لإدماج مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية في شبكات الكهرباء، وهو هدف محوري في مسار تحول الطاقة في المملكة العربية السعودية.
التعاون البحثي ودور مركز CREST:
شارك في هذه الدراسة المهمة إلى جانب البروفيسور حسام الشريف، نخبة من أساتذة كاوست هم: عمر محمد، وعثمان بكر، وشيشيانج زانج، وماني ساراثي.
وأشار الشريف إلى أن هذا الاكتشاف المحوري لم يكن ليتحقق لولا تضافر جهود علماء مركز التميّز للطاقة المتجددة وتقنيات التخزين (CREST) في كاوست، الذين يمتلكون خلفيات متكاملة، مثل: تصميم البطاريات، والنمذجة الكهروكيميائية، والأدوات التجريبية المتقدمة مثل التحليل الطيفي والمجهرية.
وقال الشريف: “تأسس مركز التميّز للطاقة المتجددة وتقنيات التخزين في كاوست ليكون رائدًا في مجال ابتكار الطاقة المتجددة في المملكة. وتؤكد النتائج التي حققناها والتحسينات الكبيرة في أداء واستقرار البطاريات المائية ما يمكننا إنجازه في كاوست من خلال توحيد الجهود والاستفادة من خبرات أعضاء المركز المتنوعة والمتميزة”.
الخلاصة:
يمثّل هذا الاكتشاف من كاوست اختراقًا علميًا مهمًا في مجال تخزين الطاقة، ويُمهّد الطريق نحو تطوير بطاريات مائية أطول عمرًا وأكثر استقرارًا وكفاءة. كما يعزز موقع المملكة العربية السعودية كلاعب رئيسي في التحول العالمي نحو الطاقة المتجددة، ويؤكد قدرة الجامعات السعودية على المساهمة في حلول علمية ذات تأثير عالمي.
نسخ الرابط تم نسخ الرابط
