‎حقق باحثون من جامعة ماريلاند (UMD) تقدمًا مهمًا في مجال بطاريات الماء، وذلك عبر تطوير إلكتروليت مبتكر قادر على تجاوز التحديات التقنية التي لطالما أعاقت استخدام هذا النوع من البطاريات في تطبيقات متقدمة.

‎

ويُعد هذا الابتكار خطوة واعدة نحو سد الفجوة بين البطاريات المائية التقليدية – كالبطاريات الرصاصية الحمضية وبطاريات هيدريد النيكل المعدني – وبين بطاريات الليثيوم أيون المتطورة التي تعتمد على إلكتروليتات غير مائية.

‎

جهد غير مسبوق ودوام طويل

‎

ويُمثل هذا الإنجاز تجاوزًا لما يُعرف بـ "حد الاختزال طويل الأمد" للإلكتروليتات المائية، والذي كان محدودًا عند 1.3 فولت. وقد فتح ذلك الباب أمام تطوير بطاريات مائية ذات كثافة طاقة مرتفعة.

‎ووفقًا لما أكده الباحث شيويه تشانغ، المؤلف الرئيسي للدراسة، فإن البطارية الجديدة احتفظت بأدائها المستقر لأكثر من 2000 دورة تشغيل، مما يشير إلى متانة استثنائية في الأداء طويل الأمد.

‎وأضاف: "تمكّنا من تطوير إلكتروليتات ثنائية الطبقة مائية/عضوية خالية من الأغشية، مع تقليل مقاومة الواجهة بين الطورين بفضل استخدام أيونات فائقة المحبة للصخر".

‎مزايا بيئية وتحديات تقنية

‎تتميز البطاريات المائية بكونها آمنة وصديقة للبيئة، ما يمنحها أفضلية واضحة مقارنةً بالبطاريات التقليدية. ومع ذلك، فإن ضيق نطاق الاستقرار الكهروكيميائي كان يمثل عائقًا أمام تطوير بطاريات مائية بجهود تشغيل أعلى وكثافة طاقة تنافسية.

‎لكن الفريق البحثي استطاع التغلب على هذا القيد بفضل تقنيته الجديدة، وهو ما قد يُحدث نقلة نوعية في استخدام البطاريات المائية في مجالات متعددة، من الطيران الكهربائي إلى تخزين الطاقة منخفض الكربون على نطاق واسع، بل وحتى في استخراج الليثيوم من مياه البحر.

‎حلول مبتكرة لتحديات الواجهة

‎نُشر البحث في مجلة Nature Nanotechnology، وقد أوضح الباحثون خلاله أن أحد التحديات الكبرى في الإلكتروليتات المائية/غير المائية هو اختلاط الطورين ومقاومة الواجهة العالية عند انتقال أيونات الليثيوم.

‎وللتغلب على هذه المشكلة، اقترح الفريق استخدام مركبات مثل 12-تاج-4 والتتراجلايم (G4) لتكوين مجموعات نانوية من أيونات الليثيوم في كل من الطورين، مما يخفف من تحديات عبور الواجهة.

‎كما أشاروا إلى أن محاولات سابقة باستخدام إلكتروليتات "الماء في الملح" حققت استقرارًا بحدود 3.0 فولت فقط، ولم تكن مناسبة للعمل مع أنودات الليثيوم المعدني أو الجرافيت، وهما عنصران أساسيان في البطاريات عالية الأداء.

‎نحو بطاريات آمنة وعالية الكثافة

‎بفضل هذا الابتكار، تغلب الفريق على أحد أهم العوائق التي تعترض طريق البطاريات المائية، ما يمهّد الطريق لتقنيات تخزين طاقة جديدة تتسم بالكثافة العالية والأمان، وتُعد مرشحة قوية لتغذية الجيل القادم من تطبيقات الطاقة النظيفة.