قدم فريق بحثي في مختبر أوك ريدج الوطني رؤى جديدة حول التفاعلات الكيميائية التي تحسن كفاءة وثبات أنظمة تخزين الطاقة واسعة النطاق. ركزت الدراسة على بطاريات التدفق (flow batteries) باستخدام محاليل إلكتروليتية تعتمد على الصوديوم والكبريت، كبديل منخفض التكلفة وأكثر توفرًا للمعادن التقليدية مثل الفاناديوم. نتائج هذا البحث تُسهم في تعزيز موثوقية شبكة الكهرباء الوطنية وتدعم استقلالية الطاقة في الولايات المتحدة، مع إمكانيات لتقليل تكاليف الكهرباء وتحسين قدرات التخزين على نطاق واسع.

جدول المحتويات

تحديات تخزين الطاقة واسعة النطاق 🔋

مع تزايد عدد مصادر الطاقة المتجددة، تتصاعد الحاجة إلى حلول فعّالة لتخزين هذه الطاقة لاستخدامها عند الطلب. تخزين الطاقة على نطاق الشبكة (grid-scale energy storage) يختلف جوهريًا عن حلول تخزين الطاقة للأجهزة الصغيرة كالهاتف أو السيارات الكهربائية.

بطاريات الليثيوم-أيون، شائعة الاستخدام في الإلكترونيات والمركبات، تواجه قيودًا حيوية عند استخدامها لتخزين الطاقة على نطاق شبكي، نظرًا لتكلفتها، وتحفظها على السلامة، واعتمادها على المواد الصلبة التي تحد من قدرتها على التوسع.

خلاصة تقنية: بطاريات الليثيوم-أيون ليست الحل الأمثل لتخزين الطاقة على نطاق واسع بسبب قيود المواد والتكلفة والسلامة.

لماذا بطاريات التدفق؟ 🔥

تمثل بطاريات التدفق نموذجًا مختلفًا يُستخدم فيه محاليل إلكتروليتية سائلة تسمح للأيونات بالانتقال بين الأقطاب الكهربائية عبر دورة الشحن والتفريغ. وهذا التعريف يختلف عن البطاريات التقليدية التي تعتمد على المكونات الصلبة داخل “السندويتش المركزي” المكون من الأقطاب الكهربائية والفاصل.

الميزة الأساسية لبطاريات التدفق هي إمكانية تعديل مركبات الإلكتروليت بسهولة دون التأثير على باقي النظام، نظرًا لأن المحاليل تُخزن في خزانات منفصلة عن مركز توليد الطاقة.

دور الإلكتروليتات والمواد الكيميائية في تحسين الأداء ⚗️

ركز البحث على تحسين إلكتروليتات بطاريات التدفق من خلال استخدام مركبات عضوية تسمى glymes، وهي مذيبات عطرية إيثرية تتميز بثبات كيميائي عالٍ وانخفاض تطايرها، وقدرتها على إذابة الأملاح بكفاءة. وُجد أن حجم جزيئات الغلايم يؤثر بشكل مباشر على قدرة الكبريت على التغلغل عبر حاجز الفصل (separator) بين الأقطاب داخل البطارية.

اختبرت الدراسة ثلاثة أنواع من الغلايم ذات أعداد مختلفة من ذرات الأكسجين، وتبين أن الغلايم ذات أكبر عدد من ذرات الأكسجين قللت من التغلغل الضار للكبريت بشكل فعال، ما ساهم في زيادة ثبات دورة الشحن والتفريغ.

لماذا هذا مهم صناعيًا؟ التحكم في التفاعلات داخل الإلكتروليتات يحسن عمر البطارية وكفاءتها، مما يقلل من التكاليف التشغيلية والصيانة.

تفاعل المحلول وتأثيره على الحركة الأيونية

تشير النتائج إلى أن الغلايم تساعد أيضًا في تسريع حركة الأيونات داخل المحلول، مما يعزز سرعة وكفاءة نقل الشحنة الكهربائية. هذه الخاصية تلعب دورًا أساسيًا في تصميم منشآت تخزين طاقة أكثر موثوقية.

بالتوازي، وجود الكبريت والصوديوم عنصران مركزيان في هذه الأنظمة، يفتح آفاقًا لتخزين طاقة منخفض التكلفة يبعد اعتماد الشبكات على المعادن النادرة مثل الفاناديوم، التي تتميز بارتفاع تكلفتها ومحدودية توفرها.

البديل الاقتصادي: بطاريات الصوديوم-الكبريت 🏭

تشير الدراسة إلى أن استخدام الصوديوم والكبريت كمكونات في بطاريات التدفق يُشكل خيارًا فعالًا من حيث التكلفة والتوفر. الصوديوم والمعادن الكبريتية أكثر وفرة وأقل سعرًا من الفاناديوم، مما يجعلها مناسبة لمشروعات تخزين ضخمة.

بحسب نتائج محاكاة الفريق البحثي، يمكن تعديل البنية الجزيئية للغلايم عبر تغيير طول السلسلة وعدد ذرات الأكسجين، وهذا يُحدث تأثيرات متحكمة في تفاعلات البوليسلفيد (polysulfide) التي تسبب تدهور الفصل بين الأقطاب. تقليل هذه التفاعلات يمد من عمر البطارية ويُحسّن ثبات الأداء على المدى الطويل.

نقطة ميكانيكية مهمة: ضبط جزيئات المحلول الإلكتروني هو المفتاح لتحقيق توازن بين كفاءة الأداء وطول عمر البطارية.

تحديات وتطلعات مستقبلية 🚀

من بين التحديات الرئيسية التي يُسعى إلى معالجتها، تطوير أغشية فاصل (membranes) بطبقات متعددة تسمح بتحقيق أداء أعلى في السعة واحتفاظًا أفضل بالطاقة، إلى جانب زيادة الموثوقية لتلائم متطلبات الشبكات الكبيرة.

تُعتبر هذه الخطوة ضرورية لبناء أجهزة تشحن وتفرغ الطاقة بكفاءة عالية خلال الأحداث المناخية القاسية مثل الأعاصير والفيضانات، بهدف تقليل انقطاعات الكهرباء واستعادة الخدمة بسرعة.

البحوث المستقبلية أيضًا تعزز توجهًا أمريكيًا نحو الاستقلالية الطاقية وتقليل الاعتماد على استيراد المعادن الحيوية ورفع كفاءة الشبكة الوطنية عبر حلول تخزين متقدمة.

خلاصة وتحليل تقني 🔧

زيادة استخدام بطاريات التدفق تعتمد بشكل رئيسي على تحسين الكيمياء الداخلية للمحاليل الإلكترونية.
استخدام glymes كمذيبات إيثرية يوضح أهمية تصميم الإلكتروليتات جزيئيًا لتقليل تدهور البطارية وتحسين نقل الأيونات.
مادة الصوديوم والكبريت توفّر حلاً مستدامًا واقتصاديًا بديلاً للبطاريات المبنية على الفاناديوم، المعقدة والمكلفة.
مشاريع تطوير أغشية الفصل المتقدمة تبشر بزيادة العمر الافتراضي والكفاءة، واستقرار أداء البطارية في ظروف تشغيل متنوعة.
تدعيم الشبكة الوطنية باستخدام هذه التقنيات يساهم في توفير كهرباء:
– بأسعار أقل

– وبموثوقية أكبر

– مع قدرة على التعامل مع الأحوال المناخية القاسية

ما الذي تغيّر هنا؟ دراسة متعمقة على المستوى الجزيئي لرصد تأثير المواد والمذيبات صممت نموذجًا محسنًا لبطاريات التدفق، يرتقي بحلول تخزين الطاقة الكبيرة إلى مستوى متقدم مستدام.

أهمية البحث في سياق الهندسة الميكانيكية 🏗️

تتطلب أنظمة الطاقة المتجددة والكبرى خبرة في المجالات الميكانيكية المختلفة، من تصميم الأغشية الفاصلة إلى تحسين أنظمة الطاقة الحرارية والموائع التي تدير تدفق الإلكتروليتات.

التحكم في الحمل الحركي للأيونات، تحسين مكونات البطارية، تكييف المواد الكيميائية لتحقيق الاستقرار الميكانيكي والكيميائي تعد من المحاور التي تعزز فعالية أجهزة تخزين الطاقة.

كما تلعب الهندسة الميكانيكية دورًا محوريًا في تصميم أنظمة تبريد وإدارة الحرارة داخل البطاريات، لضمان سلامة الأداء واستمرار دورة الشحن والتفريغ بشكل موثوق.

نقطة ميكانيكية مهمة: التفاعل بين مكونات الإلكتروليت وبنية البطارية ضروري في تصميم أنظمة موثوقة وعالية الأداء لتخزين الطاقة.

الخاتمة

أظهرت أبحاث مختبر أوك ريدج إمكانية تغيير قواعد اللعبة في مجال تخزين الطاقة واسع النطاق، من خلال تطوير بطاريات تدفق تعتمد على مواد وفيرة واقتصادية. التركيز على التفاعلات الكيميائية الدقيقة وتعديل خصائص إلكتروليتات الغلايم يعزز من متانة وكفاءة البطاريات، ما يوفر حلولاً استراتيجية لشبكات الكهرباء العالمية.

هذه التطورات تحمل أبعادًا واسعة في هندسة الأنظمة الحرارية والميكانيكية، حيث يُمكن تصميم منظومات ذكية تجمع بين الاقتصاد في التكلفة والكفاءة التشغيلية، مع مواكبة المتطلبات البيئية وعوامل السلامة والتشغيل المستدام.