كيف يمكن استخدام الماء لجعل البطاريات أكثر أماناً؟

لكن هذا السائل، الذي يُسَمى الكهرل، هو أحد المكونات الرئيسية لهذه البطاريات، وهو يحدد العديد من معامِلاتها الوظيفية، إضافة إلى درجة أمانها. وقد لاحظتُ زيادة في عدد الشركات الصانعة للبطاريات البديلة التي تتحدث عن استخدام عنصر مثير للاهتمام في كهارل بطارياتها، وهو الماء.

تعتمد بطاريات الليثيوم أيون التي تزود سياراتنا الكهربائية وحواسيبنا المحمولة بالطاقة حالياً على مواد مذيبة عضوية، مثل كربونات الإيثيلين، لنقل الشحنات في أنحاء البطارية. لكن التراكيب الكيميائية التي تتيح الاعتماد على الماء بدلاً من ذلك قد تعني درجة أعلى من الأمان للبطاريات. ومع زيادة عدد البطاريات المستخدمة في أنظمة التخزين الضخمة على الشبكة الكهربائية، يمكن أن يمثل هذا الأمر فائدة كبيرة للغاية.

لقد كتبتُ مؤخراً عن إحدى شركات صناعة البطاريات البديلة، وهي شركة إيوس إينرجي (Eos Energy)، التي حصلت على قرض ضخم من وزارة الطاقة الأميركية منذ فترة وجيزة.  ولهذا، لنطّلع على العمل الذي باشرت به إيوس وغيرها من شركات صناعة البطاريات لاستخدام الماء في التراكيب الكيميائية للبطاريات.

موضوع مهم للغاية: أمان البطارية

قد يكون موضوع بطاريات الليثيوم أيون والأمان موضوعاً شائكاً بعض الشيء، نظراً لوجود الكثير من المعلومات المزيفة والعواطف التي يمكن أن تطغى على وجهات النظر الموضوعية. غير أنه من المفيد التعمق في حديثنا هذا عن السبب الذي يدفع عدداً كبيراً من شركات صناعة البطاريات البديلة إلى التركيز على الأمان والسلامة عندما تتحدث عن تكنولوجياتها.

يمكن لبطاريات الليثيوم أيون أن تشتعل، وهو ما يحدث في بعض الأحيان بسبب التلف أو الارتفاع الشديد للحرارة غالباً، ما يؤدي إلى تحفيز بعض التفاعلات الكيميائية في عملية تحمل اسم الانفلات الحراري. عادة ما تكون الأجهزة التي تعتمد على بطاريات الليثيوم أيون مزودة بأنظمة أمان للتعامل مع هذه المشكلة، فالسيارات الكهربائية، على سبيل المثال، مزودة بأنظمة تبريد تحيط بمجموعات البطاريات.

لكن هذا لا يمنع من أن تسوء الأمور في بعض الأحيان. فمن الممكن أن تؤدي عيوب التصنيع إلى مشاكل غير متوقعة (هل تتذكرون حرائق سيارات شيفروليه بولت؟). لكن احتمال اشتعال السيارات الكهربائية عموماً لا يزال غير واضح تماماً، وإن كان ثمة بيانات تشير إلى أنه أقل بكثير من احتمال اشتعال السيارات التي تعمل بالوقود. من ناحية أخرى، يمكن أن تكون حرائق السيارات الكهربائية أعلى حرارة من حرائق السيارات التقليدية، ويمكن أن يكون إطفاؤها أصعب.

اقرأ أيضاً: هل يزيح الصوديوم المتوفر بكثرة الليثيوم عن عرش صناعة البطاريات؟

أصبحت التساؤلات المتعلقة بالأمان والسلامة أهم وأشد حساسية عندما بدأنا نستخدم البطاريات بطريقة جديدة، أي على الشبكة الكهربائية. ومع توصيل المزيد من مصادر الطاقة المتجددة مع الشبكة الكهربائية، ظهرت حاجة متزايدة إلى منشآت ضخمة لتخزين الطاقة، حيث تتيح الاحتفاظ بالطاقة الشمسية لاستخدامها في الليل، على سبيل المثال.

تمثل أنظمة التخزين هذه عاملاً إيجابياً بالنسبة إلى التقليل من الانبعاثات، لكنها معرضة للمشاكل هي الأخرى. وكما أفادت شركة كناري ميديا (Canary Media) الإعلامية، فقد شهدت نيويورك بعضاً من حرائق البطاريات في هذا الصيف ضمن منشآت تخزين ضخمة ثابتة متصلة بالشبكة الكهربائية. لم تؤدِّ هذه الحرائق إلى أي إصابات وفقاً للتقارير، واقتصرت الأضرار في معظم الحالات على البطاريات نفسها. لكن وقوع سلسلة من الحرائق ليس بالظاهرة المبشّرة على الإطلاق.

إضافة إلى هذا، ثمة مخاوف متزايدة بشأن الحرائق التي تسببت بها الدراجات الكهربائية في مدينة نيويورك. نجمت هذه الحرائق التي يمكن أن تؤدي إلى خسائر في الأرواح، في معظم الحالات، عن الصيانة الخاطئة للدراجات، أو استخدام بطاريات رديئة، ما يؤكد الحاجة إلى تنظيم استخدام البطاريات وضبط جودتها وفق معايير صارمة.

في المحصلة، يمكن تلخيص ما سبق كما يلي: بطاريات الليثيوم أيون معرضة للاشتعال. لا تقع هذه الحوادث كثيراً، وثمة عدد كبير من ضوابط السلامة التي يمكن وضعها للتعامل بفعالية مع هذا الخطر، غير أن بعض شركات صناعة البطاريات تسعى إلى بناء بطاريات بديلة لا يمكن أن تشتعل في المقام الأول.

اقرأ أيضاً: تعرّف إلى الجيل الجديد من البطاريات التي ستساعد على تسريع شحن السيارات الكهربائية

استخدام الماء

تعرضت البنية الكيميائية لبطاريات الليثيوم أيون إلى العديد من التعديلات على مدى عقود كاملة لتحسين قدرتها على احتواء قدر كبير من الطاقة ضمن جهاز صغير، وتقديم استطاعة عالية.

وقد ركز بعض هذه التحسينات على الكهرل السائل، إذ تعتمد بطاريات الليثيوم أيون القياسية على مواد عضوية مذيبة ممزوجة مع الأملاح لنقل الشحنات داخل البطارية. نظرياً، يمكن استخدام الماء ليؤدي دور مادة مذيبة في هذه البطاريات، لكن هذا ليس الخيار المُعتَمَد، والسبب في ذلك مقنع للغاية، فالجهد الكهربائي المرتفع الذي عادة ما توفره هذه البطاريات -لتقديم استطاعة عالية- يمكن أن يؤدي إلى تفكيك الماء إلى مكونيه الأساسيين: الهيدروجين والأوكسجين.

لكن ثمة توازن آخر ضروري في حالة منشآت التخزين الضخمة على الشبكة الكهربائية؛ فبدلاً من التركيز على احتواء بطارية صغيرة على كمية كبيرة من الطاقة، يسعى الباحثون والشركات بالدرجة الأولى إلى تخفيض تكلفة البطارية.

ولهذا، يمكن التضحية ببعض الميزات في البطاريات المخصصة للتخزين على الشبكة الكهربائية. فليس من الضروري أن تكون هذه البطاريات قادرة على تحمّل الشحن والتفريغ بسرعة كبيرة، ولا أن تكون صغيرة وخفيفة ما أمكن.

اقرأ أيضاً: ما التكنولوجيات التي يمكن استخدامها لإبطاء عملية التغيّر المناخي؟

وهو ما يفتح مجالاً جديداً أمام استخدام مواد أثقل وزناً، مثل الحديد والزنك. ومع انخفاض المستوى المطلوب من الاستطاعة والجهد الكهربائي، يمكن للشركات استخدام كهرل مؤلف من الماء الممزوج مع الأملاح. وقد يساعد هذا في توفير التكاليف، وتسهيل تصنيع البطاريات، وجعلها أكثر أماناً. ومن المرجح أن البطاريات التي تعتمد على الماء سيكون اشتعالها أصعب بكثير، حتى لو حاولتَ إشعالها عمداً.

يميل بعض الشركات إلى الاستفادة من فوائد استخدام الماء في بطارياتها البديلة عندما تبدأ بإحراز تقدم نحو مرحلة الترويج التجاري.

تشغل شركة فورم إينرجي (Form Energy) موقعاً متقدماً بين الشركات التي تبني البطاريات البديلة للشبكة الكهربائية. ويُطلَق على البطاريات التي تنتجها الشركة اسم “بطاريات الصدأ” أحياناً لأنها تعتمد على الحديد والماء، ولأن التفاعلات الجارية ضمنها مماثلة للتفاعلات التي تصيب المعدن بالصدأ لدى تعرضه للرطوبة. تتباهى شركة فورم على موقعها الإلكتروني بدرجة الأمان العالية التي تتميز بها بطارياتها، وتقول إن الأنظمة التي تعتمد عليها “غير معرضة لخطر الانفلات الحراري”. وقد بدأت الشركة ببناء معمل في ولاية ويست فرجينيا في وقت سابق من هذا العام.

أما شركة إيوس إينرجي فتعمل أيضاً على بناء بطاريات بكهرل مائي، ومهبط مصنوع من الزنك بصورة أساسية. عندما سألتُ نائب الرئيس لشؤون البحث والتطوير في إيوس، فرانسيس ريتشي، عن فوائد التركيبة الكيميائية التي تعتمدها الشركة، كان الأمان أول ما تحدث عنه: “أولاً، إنها تركيبة آمنة. إنها تكنولوجيا غير قابلة للاشتعال”.

اقرأ أيضاً: بطاطا بحرية تفتح آفاقاً واعدة للتنقيب البحري بحثاً عن مصادر الطاقة المتجددة

ثمة الكثير من التحديات التي لا تزال تواجه البطاريات البديلة، مثل صعوبة تحقيق سعر منافس، فقد كانت خلايا الليثيوم أيون موجودة منذ عدة عقود، وقد انخفضت تكاليفها كثيراً خلال هذه الفترة. غير أنه ثمة فوائد أخرى محتملة تتجسد في وجود المزيد من الخيارات، بما في ذلك الأنظمة القادرة على العمل المكثف، التي يمكن أن تساعد على تخفيف مخاوف الأمان المتعلقة بتجهيزات البطاريات الضخمة.