تتزايد الحاجة لبطاريات خفيفة عالية الأداء بتزايد اعتمادنا عليها في مختلف الأجهزة الأساسية، و لهذا يعمل الباحثون باستمرار لتطوير تقنيات تزيد الكثافة الطاقية للبطاريات الكهربائية وتحسن أدائها.

وفي هذا السياق، قام باحثون في جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين (USTC) بتطوير بطارية ليثيوم هيدروجين مبتكرة تتضمن غاز الهيدروجين كمكون رئيسي. تتميز هذه البطارية باستخدام اثنين من أخف العناصر، الليثيوم والهيدروجين. و على عكس بطاريات الليثيوم التقليدية، والتي تستخدم عادةً مركبات الليثيوم كقطب موجب (كاثود)، تستخدم هذه البطارية الجديدة الليثيوم كقطب سالب (أنود)، مما يميزها من حيث التركيب والوظيفة.

قام الباحثون بتصميم نموذج أولي لنظام بطارية Li-H، أظهرت الاختبارات قدرة استثنائية على تخزين الطاقة إذ بلغت كثافة الطاقة 2825 واط ساعي/كجم، مع الحفاظ على جهد ثابت يبلغ حوالي 3 فولت. وحافظت على الطاقة بنسبة 99.7% أثناء دورات الشحن والتفريغ مما يشير للكفاءة العالية في تخزين الطاقة والاستقرار على المدى الطويل.

مكونات البطارية

يتألف القطب السالب (الأنود) من معدن الليثيوم والقطب الموجب (الكاثود) عبارة عن طبقة كربونية مغطاة بالبلاتين وفيها طبقة لنشر غاز الهيدروجين في الخلية ويسمى كاثود الهيدروجين، والوسط بين القطبين (الالكتروليت) يستخدم مادة صلبة من فوسفات التيتانيوم والألومنيوم الليثيوم تتيح نقل أيونات الليثيوم بكفاءة مع تقليل التفاعلات الكيميائية غير المرغوب فيها.

الشحن والتفريغ

عند استخدام البطارية أو التفريغ، يتحول الليثيوم في الأنود إلى أيونات الليثيوم الموجبة Li+ ويطلق الكترونات e-، تسافر الإلكترونات في الدارة الخارجية إلى الكاثود مسببة نشوء تيار كهربائي يغذي الجهاز، بينما تنتقل الايونات عبر الالكتروليت الصلب إلى الكاثود الهيدروجيني، وعنده يتفاعل غاز الهيدروجين مع الأيونات والليثيوم ويتكون هيدريد الليثيوم LiH.

أثناء عملية الشحن، تتدفق الإلكترونات مرة أخرى إلى الأنود من خلال الشاحن الخارجي، بينما تنتقل أيونات الليثيوم (Li⁺) عبر الإلكتروليت وتتحد مع الأنود، لتكوين معدن الليثيوم. وفي الوقت نفسه، يتم إطلاق غاز الهيدروجين عند الكاثود، لإكمال التفاعل الكهروكيميائي.

التكلفة والإنتاج

ولتقليل تكلفة الإنتاج طور الفريق أيضاً بطارية ليثيوم هيدروجين بدون أنود، إذ تم استبدال الجزء الأكبر من معدن الليثيوم بأملاح ليثيوم، وقد حقق هذا النموذج كفاءة عالية في تخزين الطاقة خلال عدد قليل من الدورات، ولايزال يحتاج لتجارب أكثر حتى تزداد موثوقيته كخيار قابل للتطبيق.

رغم أن التكلفة تعتبر مرتفعة مقارنة بالبطاريات السائدة اليوم، لكن كثافتها الطاقية العالية تجعلها مثالية في تطبيقات كثيرة مثل الفضاء والأماكن البعيدة، حيث يكون لتأمين الطاقة أولوية على التكلفة. كما أن السعي لتخفيف التكلفة عبر استخدام بطاريات بدون أنود قد يساعد في تقريبها إلى التطبيقات العملية.

ورغم صعوبة مسألة تأمين الهيدروجين للبطارية، الذي يجب أن يتم باستخدام خزانات مخصصة تتحمل الضغط، لا يعتبر هذا بمشكلة تحد من استخدامها في المستقبل، طالما أن التقنيات الهيدروجينية تتطور باستمرار و تجد حلولاً لما يبدو اليوم معقداً.

نُشرت الدراسة في مجلة Angewandte Chemie International Edition.