قام الباحثون بقيادة غينكي كوباياشي في مجموعة رايكن (RIKEN) للأبحاث الرائدة في اليابان بتطوير إلكتروليت صلب لنقل أيونات الهيدريد (H−) في درجة حرارة الغرفة.

هذا الاكتشاف يعني أن مزايا بطاريات الحالة الصلبة وخلايا الوقود المعتمدة على الهيدروجين أصبحت في متناول اليد عمليًا، ومن هذه المزايا تحسين السلامة والكفاءة وكثافة الطاقة، وهي مزايا ضرورية للتقدم نحو اقتصاد عملي للطاقة قائم على الهيدروجين.

نُشرت الدراسة في المجلة العلمية أدفانسد إنرجي ماتريالز (Advanced Energy Materials).

لكي يصبح تخزين الطاقة والوقود المعتمد على الهيدروجين أكثر انتشارًا، يجب أن يكون آمنًا وفعالًا للغاية وبسيطًا قدر الإمكان. تعمل خلايا الوقود الهيدروجينية الحالية المستخدمة في السيارات الكهربائية عن طريق السماح لبروتونات الهيدروجين بالمرور من أحد طرفي خلية الوقود إلى الطرف الآخر عبر غشاء بوليمر عند توليد الطاقة.

تتطلب حركة الهيدروجين الفعالة وعالية السرعة في خلايا الوقود هذه الماء، مما يعني أنه يجب ترطيب الغشاء باستمرار حتى لا يجف. وهذا عائق يضيف طبقة إضافية من التعقيد والتكلفة لتصميم البطاريات وخلايا الوقود مما يحد من التطبيق العملي لاقتصاد الطاقة المعتمد على الهيدروجين من الجيل التالي.

وللتغلب على هذه المشكلة، ظل العلماء يكافحون من أجل إيجاد طريقة لتوصيل أيونات الهيدريد السالبة عبر المواد الصلبة، خاصة في درجة حرارة الغرفة.

قال كوباياشي: “لقد حققنا إنجازًا حقيقيًا. والنتيجة التي توصلنا إليها هي أول عرض لكهارل صلب موصل لأيون الهيدريد في درجة حرارة الغرفة.

كان الفريق يقوم بإجراء تجارب على هيدريدات اللانثانوم (LaH3-δ) لعدة أسباب؛ حيث يمكن إطلاق الهيدروجين والتقاطه بسهولة نسبية، كما أن توصيل أيون الهيدريد مرتفع جدًا، ويمكن أن يعمل في درجة حرارة أقل من 100 درجة مئوية، وله بنية بلورية.

ولكن في درجة حرارة الغرفة، يتأرجح عدد ذرات الهيدروجين المرتبطة باللانثانم بين 2 و3، مما يجعل من المستحيل الحصول على توصيل فعال. تُسمى هذه المشكلة بقياس الهيدروجين غير المتكافئ، وكانت هذه هي أكبر عقبة تم التغلب عليها في الدراسة الجديدة.

عندما استبدل الباحثون بعض اللانثانوم بالسترونتيوم (Sr) وأضافوا قليلًا من الأكسجين للحصول على الصيغة الأساسية لـ (La1-xSrxH3-x-2yOy)، حصلوا على النتائج التي كانوا يأملون فيها.

قام الفريق بإعداد عينات بلورية من المادة باستخدام عملية تسمى الطحن الكروي، يليها التلدين. ثم قاموا بدراسة العينات في درجة حرارة الغرفة ووجدوا أنها تستطيع توصيل أيونات الهيدريد بمعدل مرتفع.

بعد ذلك، اختبروا أدائها في خلية وقود صلبة مصنوعة من المادة الجديدة والتيتانيوم، مع تغيير كميات السترونتيوم والأكسجين في الصيغة. مع القيمة المثلى التي لا تقل عن 0.2 سترونتيوم، لاحظوا تحويلًا كاملًا بنسبة 100% للتيتانيوم إلى هيدريد التيتانيوم (TiH2). وهذا يعني أنه تم إهدار ما يقرب من الصفر من أيونات الهيدريد.

وأشار كوباياشي: “على المدى القصير، توفر نتائجنا إرشادات لتصميم المواد للإلكتروليتات الصلبة الموصلة لأيونات الهيدريد. وعلى المدى الطويل، نعتقد أن هذه نقطة انعطاف في تطوير البطاريات وخلايا الوقود والخلايا التحليلية التي تعمل باستخدام الهيدروجين.

وستكون الخطوة التالية هي تحسين الأداء وإنشاء مواد قطب كهربائي يمكنها امتصاص الهيدروجين وإطلاقه بشكل عكسي. وهذا من شأنه أن يسمح بإعادة شحن “بطاريات التخزين”، فضلًا عن إمكانية تخزين الهيدروجين وإطلاقه بسهولة عند الحاجة، وهو شرط لاستخدام الطاقة المعتمدة على الهيدروجين.

يعد هذا الاكتشاف إنجازًا رائعًا في جعل خلايا الوقود أكثر عملية. ما لم نلاحظه أعلاه هو أن تصميمات اليوم تحتاج إلى بيئة أعلى من حيث درجة التجمد. وهذا يجب أن يستمر طوال الوقت، وليس فقط أثناء الحركة. بالنسبة لكثير من الوقت وجزء كبير من العالم، هذا أمر قاتل. علاوة على ذلك، فإن التجميد من شأنه أن يدمر خلية الوقود، وبالتالي فإن منطقة التجميد النادرة قد تنطوي على مخاطر كبيرة. ولم يقل الفريق أي شيء محدد حتى الآن. ولكن هذا أمر واعد.

مع أخذ ذلك في الاعتبار، يبدو عمل هذا الفريق بمثابة إنجاز كبير. وسيكون من الرائع لو أن مشكلة التخزين يمكن أن تؤدي إلى حدوث نقلة كبيرة في التكلفة والسلامة.

اقرأ أيضًا أكبر المخاطر العالمية التي تحيط بالأسواق في عام 2024

المصدر: أويل برايس