كيف نصنع بطاريات مستدامة من دون تدمير الكوكب

البطاريات التي نحتاج إليها لتوليد انتقال الطاقة بنسبة كلية «مئة في المئة» إلى الكهرباء المتجددة Renewable electricity تتطلب معادن نادرة Rare metals، وهذا يعني المزيد من عمليات البحث والتنقيب عن المعادن المدمرة للبيئة، ولكن الباحثين يعملون على طرق بديلة.
إذا أردنا التوقف عن حرق الوقود الأحفوري Fossil fuels، فإنه من المهم أن نحصل على الكهرباء من مصادر أخرى متجددة مثل توربينات الرياح Wind turbines والألواح الشمسية Solar panels. ولكن لا يمكننا الاعتماد على نشاط هبوب الرياح أو أشعة الشمس الساطعة عندما نحتاج إلى هذه الطاقة بشكل خاص ومحدد. نحن بحاجة إلى طريقة لتخزين الكهرباء، وفي كثير من الحالات فإن هذا يعتمد على استخدام البطاريات.
ومع ذلك، فإن البطاريات ذاتها غير خالية من المخاطر البيئية. وتعتمد بطاريات الليثيوم أيون Lithium-ion القابلة لإعادة الشحن في السيارات الكهربائية على الليثيوم من بين العديد من المعادن الأخرى. توجد احتياطات الليثيوم في أماكن قليلة فقط، يجب إما استخراج العنصر من المسطحات الملحية Salt flats الضخمة في صحراء أتاكاما Atacama desert في أمريكا الجنوبيةSouth America، والتي تعتمد على استهلاك كميات كبيرة من المياه، أو يتم الحصول عليها عن طريق التعدين التقليدي المدمر بيئياً للأسبوديومين Spodumene المعدني في الصين وأستراليا. وهذا هو أحد الأسباب الرئيسية وراء رغبة الكيميائيين في تصميم بطارية أكثر استدامة.
تتمثل مهمة الليثيوم داخل البطارية بنقل الشحنة من جانب إلى آخر. إنه يعمل بذلك بشكل متقن لأن أيوناته صغيرة جداً. ويتم حشو الشحنة الكهربائية الموجبة +1 في مساحة صغيرة؛ مما يعني أن بطاريات الليثيوم تحمل الكثير من الطاقة في حزمة صغيرة وخفيفة. ولكن هناك خصوماً منافسين آخرين لعملية حمل الشحنة الخاصة ببطارية الليثيوم. أولها الصوديوم Sodium، الذي له شحنة الليثيوم نفسها الموجبة +1 وهو كجزيء أكبر قليلا فقط. كما أنه من السهل جداً استخراجه والحصول عليه نظراً لأنه جزء من الملح الموجود في مياه البحر. يجب أن تكون بطاريات الصوديوم أيون Sodium-ion أكبر حجماً لتعبئة المقدار نفسه من الشحنة التي تحملها مثيلاتها من بطاريات الليثيوم، ولكن بالنسبة إلى بعض التطبيقات غير المحمولة Non-portable، مثل تخزين الكهرباء المستمدة من الطاقة الشمسية، فإنه لا بأس به. فقد قدمت شركة فراديون FRADION، مقرها في المملكة المتحدة، البطاريات التي تستخدم الصوديوم لشاحنات البضائع الثقيلة في الهند.
لكن، هناك العديد من المجالات والخيارات الأخرى لكيمياء البطاريات Battery chemistry، بما في ذلك استخدام أيونات أخرى، مثل المغنيزيوم Magnesium. وتكمن المشكلة في أن تغيير حامل الشحنة غالباً ما يعني إعادة تصميم أجزاء أخرى من البطارية أيضاً، بحيث تعمل كل الأجزاء بشكل سليم ومتزامن.
المكونات الأهم لجميع البطاريات هي الأقطاب الكهربائية Electrodes، والتي تكون في حالة بطاريات الليثيوم أيون مصنوعة من الكوبالت Cobalt. ويثير هذا المعدن معضلة أصعب من استخدام الليثيوم، إذ يتم تعدينه في مكان واحد فقط في جمهورية الكونغو الديمقراطية، وغالباً ما يكون هذا باستخدام أطفال صغار يعملون في ظروف قاهرة.
في الوضع المثالي، نحن نريد تصميم أنظمة بطاريات جديدة تعمل من دون استخدام الكوبالت. ويتضمن ذلك تجريب الكثير من تركيبات ومكونات المواد المختلفة للعثور على أفضل نموذج يجمع بين الأداء العالي والاستدامة، وهذه العملية تستغرق وقتاً طويلاً. فقد جرّبت سيرينا كوسين Serena Cussen، من جامعة شيفيلد University of Sheffield بالمملكة المتحدة، طريقة لصنع أقطاب كهربائية نموذجية في المايكرويف في غضون 20 دقيقة فقط. إنها أسرع بشكل كبير من الطرق المعهودة، ولكن من المحتمل أن يستغرق الأمر الكثير من الجهود قبل أن نحصل على البطارية المثالية.

بقلم كاثرين ساندرسون

ترجمة د. محمد الرفاعي

.2022, New Scientist, Distributed by Tribune Content Agency LLC©