الكهرباء من الجو

قام باحثون في التخنيون ومعهد يوليش في ألمانيا بتطوير بطارية تيتانيوم-هواء وأثبتوا فعاليتها تجريبيا

قام باحثون في التخنيون ومعهد يوليش (ألمانيا) بتطوير بطارية مبتكرة من التيتانيوم والهواء، وتحققوا من فعاليتها تجريبيا. أصبح تطوير البطارية الجديدة ممكنا بفضل التعاون بين الدكتور ياسين عمري دورموس، من معهد يوليش لأبحاث الطاقة والمناخ (رقم 9) بقيادة البروفيسور روديجر إيشيل والبروفيسور يائير عين إيلي من الكلية علوم وهندسة المواد في التخنيون. وتم نشر المقال الذي كتبه باحثو التخنيون ويوليتش ​​في المجلة مجلة الهندسة الكيميائيةوهذا هو أول منشور لنتائج تجريبية بخصوص هذا النوع من البطاريات الذي يستخدم فيه التيتانيوم كمادة نشطة.

البطاريات هي أجهزة تقوم بتحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية باستخدام إلكتروليت (المادة التي توصل الأيونات) وقطبين كهربائيين مغمورين فيه. يقوم أحد القطبين (ذو الجهد المنخفض جدًا) بإزالة الإلكترونات الموجودة في الدائرة الخارجية (التي تنشط الجهاز الإلكتروني)، ويستقبل القطب الآخر الإلكترونات. تتم العملية الكهروكيميائية داخل وسط التحليل الكهربائي الذي يحتوي على الأيونات، وهكذا يتم إنشاء التيار الكهربائي الإجمالي اللازم لتنشيط المعدات الإلكترونية وتفريغ الخلية (البطارية).

بطارية الهواء المعدنية هي عائلة من البطاريات، حيث يتكون أحد الأقطاب الكهربائية من معدن نشط (ذو جهد منخفض جدًا)، والقطب الآخر عبارة عن غشاء رقيق، يسمح بدخول الهواء وتفاعله، وبشكل أكثر دقة الأكسجين. نظرًا لأن الأكسجين يأتي من الهواء المحيط، فلا داعي لتخزينه، وبالتالي توفير المساحة (الحجم) والوزن داخل البطارية. لذلك، يجب أن يكون محتوى الطاقة لهذا النوع من البطاريات أعلى نظريًا مقارنة بالبطاريات الأخرى. تعتبر بطاريات الهواء المعدنية مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب التصغير وكذلك لأنظمة التخزين الكبيرة التي تتطلب مواد رخيصة الثمن ومتوفرة بسهولة وغير سامة.

إذا كان الأمر كذلك، ما هو المعدن الأمثل لبطاريات الهواء المعدنية؟ حتى الآن، تمت دراسة الليثيوم والزنك والحديد والألومنيوم والسيليكون بشكل رئيسي. على سبيل المثال، تُستخدم بطاريات الزنك والهواء بالفعل في أجهزة التحكم وأجهزة الاستشعار وأجهزة السمع. ومع ذلك، تتميز هذه البطاريات بكثافة طاقة منخفضة نسبيًا لتلبية الاحتياجات المتزايدة لسوق الطاقة، وبالتالي فهي توفر الطاقة لفترة قصيرة نسبيًا.

تتميز بطاريات التيتانيوم والهواء، والتي تم إثبات فعاليتها في هذه الدراسة، بكثافة طاقة تبلغ ضعف كثافة بطاريات الزنك والهواء، وبالتالي من المتوقع أن توفر محتوى من الطاقة لمدة ضعف المدة وأكثر. تجدر الإشارة إلى أن التيتانيوم عنصر كيميائي شائع - فهو يحتل المرتبة التاسعة في قائمة المواد الشائعة في القشرة الأرضية. يُعرف التيتانيوم بأنه معدن مناعي ومستقر ومتين للغاية، ولا يتفاعل على الإطلاق مع البيئة، ولا حتى مع المواد المتفاعلة الأكثر عدوانية، ويرجع ذلك إلى أن التيتانيوم مغطى بمادة حماية فعالة ومتينة للغاية من الأكسيد. طبقة.

تمكن باحثو التخنيون ويوليش من إزالة الطبقة الواقية القوية من التيتانيوم فقط، وذلك باستخدام إلكتروليت فريد من نوعه في البطارية التي طوروها. الإلكتروليت المذكور أعلاه هو نوع من السائل الأيوني ذو خصائص فريدة - سائل مصنوع من الأملاح ومناسب للاستخدام في البطاريات بسبب خصائصه الكهربائية والكيميائية. وبهذه الطريقة تمكن الباحثون من تسخير الإمكانات الكيميائية لمعدن التيتانيوم المكشوف لتحويله إلى طاقة كهربائية. لقد أظهروا في تجاربهم، كما ذكرنا سابقًا، أن محتوى الطاقة الكهربائية أعلى بمئات بالمائة من محتوى بطاريات الزنك والهواء.

تم دعم البحث من قبل المكتب الاتحادي الألماني للتعليم والبحث، كما تم دعم باحثي التخنيون من قبل برنامج جراند باتخنيون للطاقة (GTEP) ومركز أبحاث التخزين والدفع الكهروكيميائي (INREP).

أقام البروفيسور عين إيلي في معهد يوليش كجزء من سنة تفرغ، كجزء من الاتفاقية الإطارية بين المؤسستين وجامعة آخن. وتحتفل اتفاقية الإطار (المظلة) بين المؤسسات هذا العام بالذكرى الأربعين لها، وستعقد الندوة القادمة في حيفا بين 40 مايو و30 يونيو 1.

للمقال العلمي في   مجلة الهندسة الكيميائية

للصور انقر هنا