من الممكن أنك تقرأ هذا المقال على جهاز كمبيوتر محمول أو هاتف ذكي، وإذا لم تكن كذلك، فمن الممكن أنك تمتلك واحدًا على الأقل من هذه الأجهزة. في داخل أي جهاز من هذه الأجهزة، وغيرها الكثير، ستجد بطارية ليثيوم أيون (LIB). على مر العقود السابقة، كانت LIBs هي الطريقة القياسية لتشغيل الأجهزة والآلات الإلكترونية المحمولة أو المتنقلة. ومع انتقال العالم من الوقود الأحفوري، يتم اعتبارهم خطوة هامة للاستخدام في السيارات الكهربائية وبطاريات المنازل للأشخاص الذين يمتلكون ألواح شمسية. ولكن مثلما لدى البطاريات نقاط إيجابية ونقاط سلبية، توجد لدى LIBs نقاط سلبية تجاه نقاطها الإيجابية.
من الأمور التي ترغب العديد من الأشخاص في تحسينها هي أن LIBs يمكن أن تكون لها كثافة طاقية أكبر لجعلها تدوم لفترة أطول أو تشغل آلات أكثر تطلبًا للطاقة. أيضًا، بالرغم من أنها تمر بعدد كبير من دورات الشحن، إلا أنها تتدهور مع مرور الوقت؛ سيكون من الأفضل للجميع إذا كان بإمكان البطاريات البقاء على قيد الحياة لمزيد من دورات الشحن والاحتفاظ بقدراتها لفترة أطول. ولكن ربما أكثر المشكلات المثيرة للقلق مع LIBs الحالية تكمن في أحد العناصر المستخدمة في بنيتها.
يُستخدم الكوبالت على نطاق واسع في جزء مهم من LIBs، وهو الأقطاب. تعمل جميع البطاريات بنفس الطريقة تقريبًا: يروّج أقطابين، إيجابي وسلبي، لتدفق أيونات الليثيوم بينهما في ما يُسمى بالمحلول عند توصيلهم بالدائرة الخارجية. ومع ذلك، يعتبر الكوبالت عنصرًا نادرًا. في الواقع، هو نادرًا لدرجة أن هناك مصدر رئيسي وحيد له حاليًا: سلسلة من المناجم الموجودة في جمهورية الكونغو الديمقراطية. تم التبليغ عن العديد من المشكلات على مر السنين بخصوص العواقب البيئية لتلك المناجم، بالإضافة إلى ظروف العمل هناك، بما في ذلك استخدام الأطفال للعمل. من منظور الإمداد أيضًا، مصدر الكوبالت هو مشكلة نظرًا لعدم الاستقرار السياسي والاقتصادي في تلك المنطقة.
قال البروفيسور أتسوو يامادا من قسم هندسة الأنظمة الكيميائية: “هناك العديد من الأسباب التي تجعلنا نرغب في الانتقال بعيدًا عن استخدام الكوبالت لتحسين بطاريات الليثيوم أيون. بالنسبة لنا، التحدي أمر تقني، لكن تأثيره يمكن أن يكون بيئيًا واقتصاديًا واجتماعيًا وتكنولوجيًا. يسرنا الإبلاغ عن بديل جديد للكوبالت عن طريق استخدام مزيج جديد وجديد من العناصر في الأقطاب، بما في ذلك الليثيوم والنيكل والمنجنيز والسيليكون والأكسجين – جميعها عناصر أكثر شيوعًا وأقل تعقيدًا لإنتاجها والعمل معها.”
الأقطاب والمحلول الكيميائي الجديدين التي أنشأهم يامادا وفريقه ليسوا فقط بلا كوبالت، بل يحسنون فعليًا من كيمياء البطارية الحالية ببعض الطرق. كثافة طاقة البطاريات الجديدة تزيد بنسبة حوالي 60٪، مما يمكن أن يعادل عمرًا أطول، ويمكنها تقديم 4.4 فولت، بدلاً من حوالي 3.2-3.7 فولت في البطاريات الليثيوم الأيونية التقليدية. ولكن أحد أكثر الإنجازات التكنولوجية المذهلة كانت تحسين خصائص الشحن. كانت البطاريات التجريبية باستخدام الكيمياء الجديدة قادرة على شحن وتفريغ كاملين لأكثر من 1000 دورة (محاكاة ثلاث سنوات من الاستخدام والشحن)، دون فقدان ما يقرب من 20٪ من قدرتها التخزينية.
قال يامادا: “نحن مسرورون بالنتائج حتى الآن، لكن الوصول إلى هنا لم يكن دون تحديات. كان من الصعب محاولة قمع تفاعلات غير مرغوب فيها مختلفة كانت تجري في الإصدارات الأولية لكيمياء البطاريات الجديدة لدينا والتي كان يمكن أن تقلل بشكل كبير من عمر البطاريات. ولدينا لا يزال لديه بعض الطريق لنمضيه، حيث هناك تفاعلات طفيفة متبقية يجب التخفيف من تأثيرها لتحسين السلامة والعمر الافتراضي بشكل أكبر. في الوقت الحالي، نحن واثقون من أن هذا البحث سيؤدي إلى تحسين البطاريات للعديد من التطبيقات، ولكن بعضها، حيث يتطلب الأمر الصمود المطلق وزمن حياة أطول، قد لا يكون راضيًا حتى الآن.”
بالرغم من أن يامادا وفريقه كانوا يبحثون في تطبيقات في بطاريات LIBs، يمكن تطبيق المفاهيم التي تقف وراء تطويرهم الأخير على عمليات كهروكيميائية أخرى وأجهزة أخرى، بما في ذلك أنواع أخرى من البطاريات، تقسيم الماء (لإنتاج الهيدروجين والأكسجين)، صهر الخام، التصفيح الكهربائي والمزيد.
