قدم الباحثون لأول مرة ‘بطارية بروتون’ قابلة لإعادة الشحن كبديل للبطاريات الليثيوم أيون التقليدية , تعد البطارية الجديدة صديقة للبيئة ، ولديها إمكانات ، مع مزيد من التطوير ، لتخزين طاقة أكثر من بطاريات أيونات الليثيوم المتوفرة حاليًا.
تتضمن التطبيقات المحتملة لبطارية البروتون التخزين المنزلي للكهرباء من الألواح الشمسية الكهروضوئية ، كما هو معمول به حاليًا من قبل البطارية الجدارية التي قدمتها شركة تسلا Tesla wall و التي تستخدم بطاريات أيونات الليثيوم.
وأظهرت التجارب التي أجراها الباحثون أن بطارية البروتون الصغيرة ، التي تبلغ مساحتها 5.5 مليمترات فقط (أصغر من 20 سنتا) ، كانت قادرة بالفعل على تخزين كمية من الطاقة في كل وحدة كتلة مثل بطاريات أيونات الليثيوم المتاحة تجاريا. كان هذا قبل أن يتم تحسين البطارية.
تجمع بطارية البروتون النموذجية العاملة بين أفضل جوانب خلايا الوقود الهيدروجينية والطاقة الكهربائية المعتمدة على البطارية. الميزة الرئيسية لبطارية البروتون هي كفاءة طاقة أعلى بكثير من أنظمة الهيدروجين التقليدية ، مما يجعلها قابلة للمقارنة مع بطاريات الليثيوم.
قبل عدة سنوات ، أظهر فريق RMIT أن بطارية البروتون التي تحتوي على قطب من سبيكة معدنية لتخزين الهيدروجين يمكن أن تعمل ، لكن قابليتها لإعادة الشحن كانت منخفضة للغاية. كما احتوت سبيكة تحتوي على عناصر الأرض النادرة ، وبالتالي كانت ثقيلة ومكلفة.
وأظهرت أحدث النتائج التجريبية أن قطب الكربون النشط المسامي المصنوع من راتنج الفينول كان قادراً على تخزين حوالي 1٪ بالوزن من الهيدروجين في القطب. هذه النسبة قابلة للمقارنة مع بطاريات أيونات الليثيوم المتوفرة تجارياً .
مع بعض التعديلات والتوسع ، يمكن استخدام تقنية بطارية البروتون أيضًا للتخزين على نطاق متوسط على شبكات الكهرباء – مثل بطارية الليثيوم العملاقة في جنوب أستراليا – بالإضافة إلى تشغيل السيارات الكهربائية.
مميزات بطارية البروتون الجديدة
1. بطارية البروتون مصنوعة من مواد أكثر توفراً.
ويتركز تزويد كوكب الأرض من الليثيوم في عدد قليل من البلدان ، أما المعادن الأرضية النادرة الأخرى التي تدخل في بطاريات الليثيوم فهي مورد نادر ومكلف بشكل متزايد. في المقابل ، تحتوي بطارية البروتون على قطب كهربائي مصنوع من الكربون ، وهو أحد أكثر المواد وفرة على كوكبنا ، ويتم شحنه عن طريق فصل جزيئات الماء.
وقال الباحث الرئيسي في المشروع ، جون أندروز ، لصحيفة The Guardian: ‘الميزة هي أننا سنقوم بتخزين البروتونات في مادة كربونية ، والتي هي وفيرة ، ونحن نحصل على بروتونات من المياه التي تتوفر بسهولة’.
2. انها قابلة للشحن.
يمكن توصيل بطارية RMIT بمنفذ شحن مثل أي بطارية أخرى قابلة لإعادة الشحن. ما يحدث بعد ذلك بسيط بشكل ملحوظ: الكهرباء من التيار الكهربائي تقسم جزيئات الماء ، وتولد البروتونات ، التي ترتبط بالكربون في قطب البطارية. ثم يتم إطلاق البروتونات مرة أخرى لتمريرها عبر خلية الوقود ، حيث تتفاعل مع الهواء لتشكيل الماء وتوليد الطاقة.
ووفقا لبيان صحفي صادر عن RMIT ، أظهرت التجارب أن البطارية الصغيرة – التي تبلغ مساحتها 5،5 سم مربعة فقط (0.85 بوصة مربعة) يمكن أن تخزن قدرًا كبيرًا من الطاقة لكل وحدة من بطاريات الليثيوم أيون المتاحة تجاريًا.
3. لا تنتج انبعاثات الكربون.
ويمكن أن يؤدي تعدين الليثيوم التقليدي للبطاريات وغيرها من المعادن الأرضية النادرة إلى مجموعة من العواقب البيئية ، بما في ذلك إلقاء المواد الكيميائية في النظم الإيكولوجية و تجريد الأرض من الغطاء النباتي. بالإضافة إلى البصمة الكربونية للتعدين ، تتطلب معالجة المواد الموصلة طاقة كبيرة ، والتي غالبا ما تعني الكهرباء التي تأتي من الوقود الأحفوري.
وفي الوقت نفسه ، فإن إنتاج الكربون والماء اللازمين لهذه البطارية الجديدة ليس له أي تأثير بيئي تقريبًا. حالياً ، ستكون البصمة الرئيسية للبطارية مصدر الكهرباء المستخدم لشحنها.
يقدر فريق RMIT أن بطارية البروتون الخاصة بهم يمكن أن تكون متوفرة تجاريا في غضون خمس إلى عشر سنوات. هذه أخبار جيدة للبيئة ، حيث من المتوقع أن يرتفع حاجز تخزين البطارية مع التحول المتنامي إلى الطاقة النظيفة. بدون استخدام بطاريات جيدة لتخزين الطاقة في الأيام المشمسة أو العاصفة ، لن نتمكن من الاستفادة من مصادر الطاقة هذه عندما يتحول الطقس. ووفقًا لما ذكرته أندروز ، فعندما تكون بطاريتها متوفرة ، فستكون قادرة على المنافسة مع بطاريات باوروولPowerwall من Tesla ، وربما يومًا ما ستحدث بطارية Tesla الضخمة الموجة في بلاده.
كيف تعمل بطارية البروتون
تستخدم بطارية البروتون النموذجية العاملة قطبًا كربونًيا كمخزن للهيدروجين ، إلى جانب خلية وقود قابلة للانعكاس لإنتاج الكهرباء.
يقول البروفيسور جون أندروز ، الباحث الرئيسي ، إن قطب الكربون بالإضافة إلى البروتونات من الماء تعطي بطارية البروتون طاقة صديقة للبيئة و اقتصادية .
وقال أندروز: ‘يعد تقدمنا الأخير خطوة حاسمة نحو بطاريات البروتون الرخيصة والمستدامة التي يمكن أن تساعد في تلبية احتياجاتنا المستقبلية من الطاقة دون إلحاق مزيد من الضرر ببيئتنا الهشة بالفعل’.
‘مع تحرك العالم نحو الطاقة المتجددة المتغيرة بطبيعتها للحد من انبعاثات الاحتباس الحراري ومعالجة تغير المناخ ، ستكون متطلبات تخزين الطاقة الكهربائية ضخمة.
‘إن بطارية البروتون هي واحدة من بين العديد من المساهمين المحتملين لتلبية هذا الطلب الهائل لتخزين الطاقة. إن تزويد البطاريات بالبروتونات يمكن أن يكون أكثر اقتصادا من استخدام أيونات الليثيوم ، التي يتم تصنيعها من موارد الليثيوم الشحيحة و المرتفعة التكلفة.
‘الكربون ، وهو المورد الأساسي المستخدم في بطارية البروتون لدينا ، وفير ورخيص مقارنة بكل من سبائك تخزين الهيدروجين المعدني ، والليثيوم اللازم لبطاريات أيونات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن.’
آلية عمل البطارية
عند الشحن يترابط الكربون في القطب مع البروتونات الناتجة عن تقسيم الماء بمساعدة الإلكترونات من مصدر الطاقة. و عند التفريغ يتم إطلاق البروتونات مرة أخرى ويتم تمريرها عبر خلية الوقود بشكل عكسي لتشكيل الماء بالأكسجين من الهواء لتوليد الطاقة. وبخلاف الوقود الأحفوري ، فإن الكربون لا يحرق أو يسبب انبعاثات في العملية.
وقال أندروز: ‘سيركز العمل المستقبلي الآن على زيادة تحسين الأداء وكثافة الطاقة من خلال استخدام مواد ذات أساس كربوني ذي طبقات ذرية مثل الجرافين ، و الهدف أن تنافس بطارية البروتون بطاريات أيونات الليثيوم ‘. .
وتجمع أحدث نسخة بين قطب الكربون لتخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة مع خلية وقود قابلة للانعكاس لتوفير وحدة متكاملة قابلة لإعادة الشحن.
تم تمويل أبحاث RMIT حول بطارية البروتون جزئياً من قبل مجموعة العلوم والتكنولوجيا الدفاعية الأسترالية والمكتب الأمريكي للبحوث البحرية العالمية.
مصادر
https://futurism.com/proton-battery/
https://www.sciencedaily.com/releases/2018/03/180307153947.htm