بطبقة من الغرافين... آفاق جديدة لبطاريات الكبريت المستقبلية

باحثو «كاوست» يدرسون سبل تطويرها

الباحثة إيمان الحجي

في ستينات القرن الماضي، اقترح العلماء استخدام عنصر الكبريت في البطاريات كقطب كهربي لأول مرة؛ لكونه زهيد الكلفة، وذا وفرة عالية في الطبيعة وغير ضار بالبيئة.
النظام المقصود هو بطارية الليثيوم - كبريت (Li - S)، التي عادت إلى دائرة الاهتمام مجدداً في الآونة الأخيرة بسبب سعي العلماء في شتى بقاع الأرض لتطوير أنظمة تخزين تتميز بالكفاءة والسعة العالية، كاستجابة طبيعية للاعتماد المتزايد على الكهرباء في أنظمة النقل، واستخدامات المجتمعات البشرية كافة، إضافة إلى أن تقنية بطاريات «ليثيوم - أيون» المستخدمة حالياً في معظم الهواتف الذكية والسيارات الكهربائية، قد وصلت إلى سعتها القصوى تقريباً.
في هذا الإطار، قدم باحثو جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)؛ إسهاماً مهماً، يتمثل في تعديل بطاريات الليثيوم - كبريت (Li - S) للقضاء على معضلة لطالما وقفت حائط سد يمنع تطور البطاريات تتمثل في تنقل مواد تستطيع نقل الكهرباء بسبب احتوائها على أيونات تتنقل بين طرفي البطارية. تُعرف هذه المشكلة باسم «التنقل المستمر لبولي السلفيد» Polysulfide Shuttling أو «التنقل المستمر لمتعددات الكبريتيد»، وذلك عن طريق تطوير طبقة من الغرافين تُوضَع بين القطب الموجب (الأنود) والقطب السالب (الكاثود)؛ مما يعمل على إخماد التنقل المستمر، وبالتالي تقديم بطاريات عالية الكفاءة.
تقول إيمان الحجي، طالبة في مرحلة الدكتوراه في «كاوست»، والمؤلفة الأولى لورقة البحث «إن العائق أمام استخدام الطاقة المتجددة، خاصة في النقل، يتمثل في الحاجة إلى بطاريات عالية الكثافة».
وتتمتع بطاريات «الليثيوم - كبريت» بالعديد من المزايا المحتملة مقارنة بأنواع البطاريات التي يكثر استخدامها في الوقت الراهن، فتتميز بامتلاكها سعة أعلى في تخزين الطاقة. والكبريت عنصر غير سام، ويتميز بسهولة الحصول عليه في الطبيعة. وجدير بالذكر، أن الكبريت هو إحدى نفايات صناعة البتروكيماويات؛ لذلك يمكن الحصول عليه بتكلفة زهيدة نسبياً، كما أنه يعزز من استدامة صناعات أخرى.
تكمن مشكلة «التنقل المستمر لبولي السلفيد» في حركة الكبريت التي تحتوي على مواد وسيطة بين الكاثود والأنود أثناء العمليات الكيميائية للبطارية. هذه العملية تقلل من سعة الشحن للبطارية، وبالتالي مقدار الطاقة التي يمكن أن توفرها؛ مما يؤدي في النهاية إلى تدهور أداء البطارية.
لكن الطريق لم تكن موصدة بالكامل أمام باحثي «كاوست» ؛ فقد تمكنوا من حل هذه المعضلة من خلال طبقة من الغرافين.أمَّا عن الكيفية، فتتمثل في التالي: قام الفريق بتعريض بوليمر المتعدد الأميد (مصطلح يطلق على أي مبلمر ترتبط فيها الوحدات المكررة في السلسلة الجزيئية مع بعضها بعضاً بمجموعات أميد)، لطاقة الليزر؛ مما أدى إلى خلق مادة مسامية منظمة بشكل مناسب. وتكمن الميزة الرئيسية لهذه العملية في تكون مادة مسامية هرمية ثلاثية الأبعاد؛ مما يعني احتواءها على مصفوفة من المسام بأحجام مختلفة. ومن ثَمّ تضاف جزيئات الكربون التي في حجم النانو لتلتقطها المسام وتبدأ في تشكيل المنتج النهائي.
وقد وجدت الحجي وزملاؤها، أن وضع طبقة رقيقة من الغرافين بين الكاثود والأنود لبطارية «الليثيوم - كبريت» يخمد «التنقل المستمر لبولي السلفيد» بشكل ملحوظ.
وبشيء من التوضيح، تقول الحجي «كان التحدي الرئيسي يتمثل في صنع هذه الطبقة البينية المنفردة بطريقة معينة بحيث لا يتعدى سمكها بضعة ميكرونات». وتضيف «لقد كان من الممتع دحرجتها وكأنها عجينة صلصال، ولكن بعد ذلك كان عليّ التعامل معها بلطف شديد، خاصة في مرحلة تجميع البطارية».
وحتى وقتنا الحالي، عانت معظم الخيارات المقترحة لحل هذه المشكلة من قيود تجعل منها بطاريات لا تصلح للتطبيق التجاري على نطاق واسع. ولكن في المقابل، يتم إنتاج الغرافين المكشوط بالليزر بطريقة تستقر في أذهان الباحثين على أنها «دقيقة وقابلة للتطوير».
هذه الفكرة الفريدة لحل مشكلة «التنقل المستمر لبولي السلفيد» أهّلت إيمان الحجي للفوز بحصد جائزة من جمعية أبحاث المواد في عام 2021.