فريق من جامعة بكين يطوّر بطاريات مياهية جديدة من أيونات المغنيسيوم تحقق 75 ألف دورة شحن

أخبار ar.wedoany.com، طوّر فريق البروفيسور بان فنغ من كلية المواد الجديدة بجامعة بكين (حرم شنتشن) بالتعاون مع باحثين آخرين استراتيجية تُعرف بـ"إزالة التوتر الموضعي" (strain delocalization)، مما أتاح تطوير بطاريات تخزين طاقة مائية من أيونات المغنيسيوم تتمتع بدرجة أمان عالية وعمر دورة طويل، محققةً 75 ألف دورة شحن وتفريغ. وقد أدخل الفريق عنصر التنتالوم كعنصر مُطعّم في مصفوفات أنابيب نانوية من أكسيد الموليبدينوم الثلاثي، لإنتاج مادة قطب كهربائي من أكسيد الموليبدينوم-تنتالوم (MoTaOx). ونُشرت نتائج هذا البحث مؤخرًا في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية (JACS).

تعتمد البطاريات المائية على إلكتروليت مائي، وتتميز بخاصية مثبطة للاشتعال بطبيعتها، مما يجعلها اتجاهًا تقنيًا واسع الدراسة في مجال تخزين الطاقة الآمن. وقد وجدت البطاريات المائية التقليدية، مثل بطاريات الرصاص الحمضية وبطاريات النيكل-هيدريد المعدني، تطبيقاتها في تشغيل المركبات والتطبيقات المدنية، إلا أن كثافة تخزين الطاقة فيها منخفضة للغاية. وفي أنظمة تخزين الطاقة المائية الجديدة، تتميز بطاريات أيونات المغنيسيوم المائية بإمكانات واعدة لبناء أنظمة ذات كثافة طاقة حجمية عالية، نظرًا لوفرة عنصر المغنيسيوم في القشرة الأرضية، وانخفاض تكلفته، وصغر نصف قطر أيوناته، مع الحفاظ على استقرار البنية البلورية. غير أن تسويقها ظل مقيدًا لفترة طويلة بسبب التدهور الشديد في أداء الدورات وانخفاض كثافة الطاقة الفعلية بشكل كبير عن القيم النظرية. وعلى الرغم من استكشاف العديد من مواد الأقطاب الموجبة، لا تزال معالجة تراكم الإجهاد الناجم عن إقحام الأيونات وتحقيق عمر دورة طويل من التحديات الأساسية في هذا المجال.

اكتشف فريق البحث أن إدخال ذرات التنتالوم يُحدث فراغات أكسجينية بالقرب من مواقع الأكسجين الطرفية. ويمكن لهذه الفراغات الأكسجينية أن تمتص جزيئات الماء بين الطبقات وتفككها، مما يجعل هيدروكسيد التنتالوم يشكل معقدات مع جزيئات الماء عبر روابط هيدروجينية، وهو ما يخفض الحاجز الحركي لانتشار أيونات المغنيسيوم المائية؛ وفي الوقت نفسه، يمكن للترتيب المنتظم والتفكك لجزيئات الماء بين الطبقات أن يخفف من التمدد بين الطبقات والإجهاد الداخلي الناجم عن الإقحام المشترك لأيونات المغنيسيوم المائية. وتشكل هذه الآليات الأساس لتخزين الطاقة في قطب MoTaOx.

وبفضل قنوات نقل الأيونات المحسّنة وقدرة إزالة التوتر الموضعي الفعالة، يُظهر قطب MoTaOx سعة تبلغ 300 مللي أمبير/غرام عند كثافة تيار مقدارها 0.15 أمبير/غرام، ويحافظ على استقرار كهروكيميائي مرتفع بعد 75 ألف دورة شحن وتفريغ، محققًا سعة تراكمية تبلغ 7.2 أمبير/غرام، وهو ما يتجاوز بكثير أفضل المستويات المُبلَّغ عنها في الدراسات السابقة. كما قام الفريق المشترك بتجميع بطارية كيسية مرنة مائية بالكامل من أيونات المغنيسيوم وبطارية مغنيسيوم دقيقة متكاملة، مما أثبت الإمكانات العملية لهذه المادة في التطبيقات الواقعية.

يوفّر هذا البحث مادة قطب موجب عالية السعة مع عمر دورة فائق الطول، ويوضح من منظور آلي مسار تحقيق إزالة التوتر الموضعي لإقحام الأيونات عبر ضبط البيئة التناسقية المحلية، مما يقدم دعمًا نظريًا وعمليًا لتصميم الجيل القادم من البطاريات المائية التي تجمع بين كثافة الطاقة العالية وعمر الدورة الطويل.