البطاريات القابلة لإعادة الشحن من نوع ليثيوم أيون لا تدوم إلى الأبد. مع مرور الوقت، تحتفظ بشحن أقل، مما يؤدي في النهاية إلى تحولها من مصادر طاقة إلى كتل غير مفيدة. أحد الأسباب المحتملة هو وجود الهيدروجين المتسرب، وفقًا لأبحاث جديدة.
تشير التقارير العلمية التي نُشرت في 12 سبتمبر في مجلة “ساينس” إلى أن البروتونات غير المرغوب فيها من الهيدروجين تملأ الفتحات الجزيئية في الطرف الإيجابي للبطارية، مما يترك مساحة أقل لذرات الليثيوم المشحونة أو الأيونات التي تحافظ على التفاعل وتساعد على توصيل الشحنة.
تحدد الأبحاث الجديدة مجموعة من التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها التي تحدث عندما يقوم الإلكتروليت الخاص بالبطارية، والذي يُفترض أن ينقل أيونات الليثيوم، بإطلاق الهيدروجين عن غير قصد إلى الطرف الإيجابي أو الكاثود. يقول غانغ وان، عالم المواد والكيمياء في جامعة ستانفورد: ”هذا يؤدي إلى جميع أنواع المشاكل” ويقلل من سعة وعمر البطارية. “حتى لو لم تكن تستخدم البطارية، فإنها تفقد الطاقة.”
في بطارية ليثيوم أيون (كما هو موضح أدناه)، تخزن قطبان متعاكسان الشحنات – الأنود والكاثود – أيونات الليثيوم. تتحرك الأيونات من الأنود إلى الكاثود عبر الإلكتروليت الذي يخلق تفاعلات كيميائية تطلق الإلكترونات لبناء شحنة كهربائية. يُفترض أن ينقل الإلكتروليت أيونات الليثيوم فقط، لكن البروتونات والإلكترونات تتسرب من الجزيئات داخل الإلكتروليت وتدخل الطبقات الخارجية للكاثود مما يؤدي لتفاعل سلسلة غير مرغوب فيه يقلل عمر البطارية.
كانت التفسيرات السابقة لفقد الطاقة في البطاريات تركز على حركة أيونات الليثيوم. وقد افترض بعض الباحثين أن ذرات الهيدروجين قد تلعب أيضًا دورًا ولكن كان يصعب ملاحظتها بسبب صغر حجمها وانتشارها الواسع. لذلك قام وان وزملاؤه باستبدال الهيدروجين الموجود في إلكتروليت بطاريات بحجم الخلية بالديوتيريوم وهو نوع أثقل من الهيدروجين. ثم تتبع الباحثون حركة الديوتيريوم باستخدام تصوير الأشعة السينية عالي القدرة وقياس الكتلة. باستخدام النتائج والحسابات النظرية أظهر الفريق أن الهيدروجين هو اللاعب “السائد” في فقدان شحنة الكاثود.
تعزز هذه الأبحاث معرفتنا بالكيمياء الغامضة التي تحدث داخل البطاريات مما يجعلها ”مهمة حقًا”، كما يقول بارت بارتليت وهو عالم مواد وكيمياء غير عضوية بجامعة ميسوري-آن آربور الذي لم يكن مشاركًا في الدراسة. تشير النتائج أيضًا إلى مسارات محتملة لتحسين عمر البطارية مثل تعديل الكيمياء الخاصة بها لتجنب تفاعلات الهيدروجين.
بالإضافة لذلك تسلط هذه الدراسة الضوء على مشكلة لم يتم الاعتراف بها حتى الآن ضمن الدفع المستمر نحو بطاريات ذات جهد أعلى حيث يسعى المهندسون للاحتفاظ بمزيدٍ من الطاقة داخل خلايا أصغر حجمًا. فالكاثود ذو الجهد العالي يكون أكثر تفاعلًا وأكثر عرضة لجذب الهيدروجين؛ لذا كلما زاد جهد البطارية زادت عملية ما يسمى بـ “بروتوناسيون” أو “هيدرونيشن”. يقول بارتليت: “إنه تبادل لا أعتقد أننا قدرنا تماماً ما كنا نقوم به أو فهمنا السبب.”
لكن العلماء قيموا نوع واحد فقط من البطاريات وسياق واحد؛ لذا هناك حاجة لمزيدٍ من البحث لفهم مدى تطبيق النتائج بشكل واسع.
إذا أثبتت ملاحظات الفريق أنها قابلة للتكرار فمن المرجح أنها ستؤدي إلى تطوير بطاريات أفضل وأطول عمراً تعزز الابتكارات مثل السيارات الكهربائية ذات المدى الأطول كما تقول جاكلين إيديجي وهي باحثة ومهندسة بطاريات بكلية إمبريال بلندن. وفي الوقت نفسه فإن تحسين عمر البطاريّات سيقلل حاجتنا لاستخراج المعادن المستخدمة في خلايا البطاريّات مثل الكوبالت والليثيوم والتي تحمل عواقب بيئية واجتماعية سلبية (SN: 5/7/19). يمكن أن تكون فوز مزدوج للاستدامة كما تقول.
