تشهد تكنولوجيات إنتاج الطاقة المتجددة تطورات قد تصيب أحيانًا وتخفق في أحيان أخرى، بينما تشهد المركبات الكهربائية إقبالًا متزايدًا أدى إلى تزايد الطلب على أجهزة حفظ الطاقة المحمولة.
تعتبر بطاريات الليثيوم الأيونية الخيار الأمثل على مستوى البطاريات، إلا أنها تحتاج وبشكل مستمر إلى تحسين على نطاق كثافة الطاقة والتكلفة لتحقيق أعلى مستويات الفعالية وأهداف الاستدامة المرجوة. ومن ناحية أخرى، ظهرت بطاريات الكبريت المعدنية القلوية، وهي أحد أنواع بطاريات الليثيوم الأيونية، كخيار واعد لا سيما في التطبيقات التي تتطلب سعات عالية لحفظ الطاقة، إلا أن هذا النوع من البطاريات يعاني من مشكلة يطلق عليها "التفريغ الذاتي للبطارية" تحدث نتيجة ذوبان الجسيمات المعدنية في المحلول الكهربائي داخل البطارية ومن ثم انتقالها من قطب الكبريت السالب إلى قطب المعدن الموجب، الأمر الذي يحد من فعالية البطارية وأدائها في الشحن.
لذلك، يعد إيجاد الحلول الرامية لوقف مشكلة التفريغ الذاتي في بطاريات الكبريت المعدنية أمرًا في غاية الضرورة لتحسين أدائها وتحقيق استدامتها. وفي هذا الصدد، قام فريق بحثي من جامعة خليفة يضم كلًا من هبة الجيوسي، طالبة في برنامج ماجستير الهندسة الميكانيكية والدكتور نيربندرا سنغ والدكتور محمد سجاد وكلاهما من قسم الفيزياء، إضافة للدكتور كن لياو، أستاذ في قسم هندسة الفضاء، ببحث استخدامات صفيحة البايفينيلين ثنائية الأبعاد كمادة تساهم في تثبيت الجسيمات المعدنية وتمنع عملية التفريغ الذاتي. وقد تم نشر نتائج الفريق البحثي في المجلة العلمية "ساينتيفك ريبورتس".
من جانبه، قال الدكتور نيربندرا: "اكتسبت بطاريات الليثيوم الأيونية القابلة لإعادة الشحن، خلال العقود الثلاثة الأخيرة، شهرة واسعة لانخفاض مستويات التفريغ الذاتي فيها وارتفاع سعة حفظ الطاقة واستقرار أدائها، ما دعا إلى الاستفادة من هذه البطاريات في مجال تطوير تكنولوجيات حفظ الطاقة. وتتميز بطاريات الليثيوم الأيونية أيضًا بأنها آمنة على البيئة وتناسب الأجهزة الإلكترونية المحمولة نظرًا لقدرتها على توفير كثافة طاقة أعلى من غيرها من الأنظمة القابلة لإعادة الشحن".
وعلى الرغم من المزايا التي تتمتع بها بطاريات الليثيوم والكبريت والتي من بينها ارتفاع مستويات السعة النظرية وكثافة الطاقة ، إلا أن مشكلة التفريغ الذاتي يعيق هذه التكنولوجيا من التطور.
وفي هذا الإطار، توصل الفريق البحثي إلى أن إضافة مادة البايفينيلين إلى الليثيوم عديد الكبريتيد يؤدي إلى وقف عملية التفريغ الذاتي بشكل فعال وتعزيز استقرار دورة عمل بطاريات الليثيوم والكبريت. وتعرف مادة البايفينيلين بأنها مادة ثنائية الأبعاد تم تطويرها حديثًا، وقد أثبتت فعالية أكثر عن غيرها من المواد ثنائية الأبعاد الأخرى كالغرافين والفوسفورين نظرًا لطاقة الترابط مع متعددات الكبريتيد.
وبشكل عام، لا بد للمواد المثبتة في البطاريات أن تحظى مجموعة من الصفات تشمل التوصيل الكهربائي ومساحة سطحية كبيرة وهيكل مسامي وطاقة ارتباط عالية مع متعددات الكبريتيد لمنع عمليات ذوبان الجسيمات المعدنية في المحاليل الكهربائية. هذا وقد قام الدكتور نيربندرا في وقت سابق ببحث ودراسة العديد من المواد ثنائية الأبعاد بما في ذلك الغرافين المسامي ومتعدد الأنيلين غير القطبي.
وقالت الطالبة هبة: "أثبتت دراستنا فعالية مادة البايفينيلين في كمادة مثبتة في بطاريات الليثيوم والفسفور، وبالتالي تساهم في وقف عملية التفريغ الذاتي في البطارية. إضافة لذلك، تتميز مادة البايفينيلين بأنها مادة مسامية موصلة وذات روابط طاقة عالية".
يذكر أنه مع مواصلة ارتفاع معدلات استهلاك الطاقة لا بد من إيجاد مواد جديدة تساهم في إنتاج الطاقة المتجددة وحفظها بطرق أكثر نظافة وفعالية، وذلك لتلبية المتطلبات العالمية المتزايدة على الطاقة بشكل مستدام.