يتم تشغيل العديد من السيارات الكهربائية بواسطة بطاريات تحتوي على الكوبالت، وهو المعدن الذي يحمل تكاليف مالية وبيئية واجتماعية باهظة. ومع أخذ ذلك في الاعتبار، قام الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) الآن بتصميم مادة بطارية يمكن أن توفر طاقة أكثر استدامة للسيارات الكهربائية. ستحتوي بطارية الليثيوم أيون الجديدة على كاثود يعتمد على مواد عضوية بدلاً من الكوبالت أو النيكل.

وفي دراسة جديدة، أظهر الباحثون أن إنتاج المادة أرخص بكثير من البطاريات التي تحتوي على الكوبالت، ويمكنها توصيل الكهرباء بمعدل مماثل لبطاريات الكوبالت. وذكر الباحثون أن البطارية الجديدة تتمتع أيضًا بسعة تخزين مماثلة ويمكن شحنها بشكل أسرع من بطاريات الكوبالت.

وقال ميرسيا دينكو، الأستاذ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وكبير مؤلفي الورقة البحثية: "أعتقد أن هذه المادة يمكن أن يكون لها تأثير كبير لأنها تعمل بشكل جيد". "إنها بالفعل قادرة على المنافسة مع التقنيات الحالية، ويمكن أن توفر الكثير من التكلفة والألم والمخاوف البيئية المرتبطة باستخراج المعادن المستخدمة حاليًا في البطاريات."

كما نعلم جميعًا، يتم تشغيل معظم السيارات الكهربائية بواسطة بطاريات ليثيوم أيون، والتي يتم شحنها عندما تتدفق أيونات الليثيوم من القطب الموجب (الكاثود) إلى القطب السالب (الأنود). في معظم بطاريات الليثيوم أيون، يحتوي الكاثود على الكوبالت، وهو معدن يتمتع بثبات عالي وكثافة طاقة.

ومع ذلك، الكوبالت له عيوب كبيرة. باعتباره معدنًا نادرًا، يمكن أن يتقلب سعر الكوبالت بشكل كبير، وتقع معظم رواسب الكوبالت في العالم في بلدان غير مستقرة سياسيًا. يخلق تعدين الكوبالت ظروف عمل خطيرة وينتج نفايات سامة تلوث الأرض والهواء والمياه المحيطة بالمناجم.

ولهذا السبب، تحاول الكثير من الأبحاث تطوير مواد بديلة للبطاريات. إحدى هذه المواد هي فوسفات حديد الليثيوم (LFP)، والتي بدأت بعض شركات صناعة السيارات في استخدامها في السيارات الكهربائية. في حين أن LFP مفيد بالتأكيد في التطبيقات العملية، إلا أن كثافة الطاقة فيه تبلغ حوالي نصف كثافة بطاريات الكوبالت والنيكل.

المواد العضوية

هناك خيار آخر جذاب وهو المواد العضوية، ولكن حتى الآن، لم يتمكن معظمها من مطابقة الموصلية والقدرة التخزينية وطول عمر البطاريات المحتوية على الكوبالت. نظرًا لانخفاض موصليتها الكهربائية، غالبًا ما تحتاج هذه المواد إلى خلطها بمادة رابطة مثل البوليمر لمساعدتها في الحفاظ على شبكة موصلة. تشكل هذه المجلدات ما لا يقل عن 50% من إجمالي المادة، مما يقلل من سعة تخزين البطارية.

منذ حوالي ست سنوات، بدأ مختبر دينكو العمل في مشروع بتمويل من شركة لامبورغيني لتطوير بطارية عضوية يمكن استخدامها لتشغيل السيارات الكهربائية. أثناء دراسة المواد المسامية التي تكون عضوية جزئيًا وجزئيًا غير عضوية، أدرك دينكو وطلابه أن المادة العضوية بالكامل التي صنعوها تبدو من المحتمل أن تكون موصلًا قويًا.

تتكون المادة من طبقات من TAQ (bis-tetraaminoquinone)، وهو جزيء عضوي صغير يحتوي على ثلاث حلقات سداسية مندمجة. يمكن أن تمتد هذه الطبقات إلى الخارج في جميع الاتجاهات، لتشكل هياكل تشبه الجرافيت. توجد داخل الجزيء مجموعات كيميائية تسمى الكينونات، وهي عبارة عن خزانات للإلكترونات، والأمينات، التي تساعد المادة على تكوين روابط هيدروجينية قوية.

هذه الروابط الهيدروجينية تجعل هذه المادة مستقرة جدًا وقابلة للذوبان بشكل سيئ للغاية. تعتبر عدم القابلية للذوبان مهمة لأنها تمنع المادة من الذوبان في إلكتروليت البطارية، كما تفعل بعض مواد البطارية العضوية، وبالتالي إطالة عمر الخدمة.

وقالوا: "إحدى الطرق الرئيسية لتحلل المواد العضوية هي ببساطة إذابتها في إلكتروليت البطارية و"العبور" إلى الجانب الآخر من البطارية، مما يؤدي بشكل أساسي إلى إنشاء دائرة كهربائية قصيرة. إذا جعلت المادة غير قابلة للذوبان تمامًا، فلن تحدث هذه العملية، لذا يمكننا إجراء أكثر من 2000 دورة شحن بأقل قدر من التحلل".

أداء قوي

وأظهرت اختبارات المادة أن قدرتها على التوصيل والتخزين كانت مماثلة للبطاريات التقليدية المحتوية على الكوبالت. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للبطاريات المزودة بكاثودات TAQ أن يتم شحنها وتفريغها بشكل أسرع من البطاريات الموجودة، مما قد يؤدي إلى تسريع عملية شحن السيارات الكهربائية.

ولتثبيت المادة العضوية وزيادة قدرتها على الالتصاق بمجمع البطارية الحالي، وهو مصنوع من النحاس أو الألومنيوم، أضاف الباحثون مواد حشو مثل السليلوز والمطاط. تشكل هذه الحشوات أقل من عُشر مركب الكاثود، لذا فهي لا تقلل بشكل كبير من سعة تخزين البطارية.

تمنع هذه الحشوات أيضًا الكاثود من التشقق عندما تتدفق أيونات الليثيوم إلى الكاثود أثناء شحن البطارية، مما يطيل عمر البطارية.

ويذكر أن المواد الرئيسية اللازمة لصنع مثل هذه الكاثودات هي سلائف الكينون وسلائف الأمين، والتي يتم إنتاجها بالفعل بكميات كبيرة كمواد كيميائية تجارية. ويقدر الباحثون أن تكلفة المواد اللازمة لتجميع هذه البطاريات العضوية يمكن أن تتراوح بين ثلث إلى نصف تكلفة بطاريات الكوبالت.

وفي المستقبل، يخططون لمواصلة تطوير مواد بديلة للبطاريات ويستكشفون إمكانية استبدال الليثيوم بالصوديوم أو المغنيسيوم، وهي أرخص وأكثر وفرة من الليثيوم.