استغلال نموذج أولي لبطارية فلوريد-مغنيسيوم عالية الأداء ممكن بفضل إلكتروليت مُدار بواسطة مستقبل الأنيون

بطاريات أكثر أمانًا وأرخص لعالم يستهلك الطاقة بكثافة

مع تزايد حاجة منازلنا وسياراتنا وشبكاتنا للكهرباء، تواجه بطاريات الليثيوم-أيون الحالية تساؤلات صعبة حول التكلفة والسلامة والمواد الخام. تستكشف هذه الدراسة بديلاً واعدًا: بطاريات مبنية حول المغنيسيوم، المعدن الشائع وغير المكلف. من خلال إعادة تصميم ذكية للسوائل داخل البطارية — الإلكتروليت — يُظهر الباحثون كيف يمكن إطلاق بطارية فلوريد-مغنيسيوم جديدة ذات طاقة عالية تعمل بكفاءة، وتدوم لمئات الدورات، وحتى تحافظ على الأداء في درجات حرارة تحت الصفر.

لماذا يستحق المغنيسيوم اهتمامًا أكبر

تجذب بطاريات المغنيسيوم الانتباه لأن معدن المغنيسيوم وفير في قشرة الأرض ويمكنه تخزين شحنة كبيرة في حجم صغير. على عكس الليثيوم، يكون المغنيسيوم أقل ميلاً لتشكيل نموات إبرية قد تخترق الفاصل وتتسبب في دوائر قصر، مما يحسّن السلامة. ومع ذلك، تعطلت تقنية المغنيسيوم إلى حد كبير لأن من الصعب إيجاد قطب موجب مناسب ("الكاثود") يوفّر طاقة عالية وعمرًا طويلًا معًا. المواد التقليدية مثل الكبريتيدات والأكاسيد تعمل عند فولتية منخفضة تحد من الطاقة أو تحرك أيونات المغنيسيوم ببطء ما يؤثر سلبًا على القدرة والعمر. تقدم فلوريدات المعادن، وبخاصة فلوريد الحديد وأوكسيفلوريد الحديد، طاقة أعلى بكثير، لكنها معروفة بصعوبة تشغيلها بكفاءة مع المغنيسيوم.

مضاف ذكي يروّض إلكتروليت صعب

يكمن جوهر المشكلة في الإلكتروليت، السائل الذي ينقل الشحنة بين قطبي البطارية. إلكتروليت مغنيسيوم شائع، معروف بمحلول المجمع العطري الكامل، يوصل الأيونات جيدًا ومتوافق مع معدن المغنيسيوم، لكنه يحتوي على تجمعات مبنية على الكلوريد تآكلية تهاجم الأجزاء المعدنية وتتحلل عند فولتية عالية. يقدم الفريق جزيئًا خاصًا، ثلاثي(بنتافلوروفينيل)بوران، يعمل كـ"مستقبل الأنيون" في هذا السائل. باستخدام محاكاة حاسوبية، ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي، ومطيافية رامان، يبيّنون أن هذا المضاف يجذب بشكل انتقائي الأنواع المحتوية على الكلوريد ويتفاعل مع المذيب. هذا يحطّم أكثر تجمعات المغنيسيوم-كلوريد تآكلًا، يوزّع الشحنة السلبية، ويُضعف ارتباط المذيب والكلوريد بذرات المغنيسيوم والليثيوم.

جعل الأيونات تتحرك أسرع والأسطح تدوم أطول

من خلال تخفيف هذه الروابط، يقلّل الإلكتروليت المصمّم من تكلفة الطاقة التي يحتاجها الأيون للتخلّص من "الصدفة" المكونة من المذيب والكلوريد قبل الدخول إلى القطب أو الخروج منه — وهي خطوة غالبًا ما تبطئ البطاريات. تكشف الحسابات أن المضاف يقلّل بشكل كبير الحاجز لكسر رابط المغنيسيوم-كلوريد، وهي أبطأ خطوة في العملية. تؤكد التجارب أن هذه الكيمياء توسّع نطاق الفولتية الآمنة لتشغيل الإلكتروليت وتقلل بشكل حاد تآكل جامعات التيار المعدنية الشائعة. وفي الوقت نفسه، يمكن طلاء المغنيسيوم وتقشيره عكسيًا عند القطب السالب. إجمالاً، يحافظ الإلكتروليت على موصلية شبيهة بالمحلول الأصلي في الحجم الكبير لكنه يحسّن بشكل كبير الاستقرار البيني وحركية نقل الشحنة.

بطارية فلوريد-مغنيسيوم عالية الطاقة قيد التشغيل

مزودين بهذا الإلكتروليت المحسّن، يبني الباحثون بطارية مغنيسيوم كاملة باستخدام قطب موجب من أوكسيفلورايد الحديد. يجمع التصميم بذكاء بين أيونات الليثيوم والمغنيسيوم: تساعد أيونات الليثيوم أوكسيفلورايد الحديد على التفاعل بسرعة وبشكل عكسي، بينما يوفر معدن المغنيسيوم في الجانب السالب طاقة عالية وسلامة. في الاختبارات عند درجة حرارة الغرفة، تقدّم البطارية سعة عكسية عالية تقارب 354 مللي أمبير-ساعة لكل غرام وتحافظ على سعة مفيدة حتى عند تيار أعلى بعشرة أضعاف. عند –20 °C، لا تزال توفّر 177 مللي أمبير-ساعة لكل غرام على مدار 200 دورة. عندما يُقتصر التفاعل على عمليات "الادماج" ألطف، تدور الخلايا أكثر من 500 مرة مع خسائر طفيفة جدًا في السعة لكل دورة ومتوسط جهد نحو 1.77 فولت، مما يشير إلى متانة على المدى الطويل.

ماذا يعني هذا لمستقبل تخزين الطاقة

للمستخدم اليومي، الخلاصة هي أن كيمياء أكثر ذكاءً داخل الإلكتروليت يمكن أن تحول مجموعة مواد واعدة لكنها إشكالية إلى بطارية عملية وعالية الأداء. باستخدام مستقبل الأنيون لتحييد الأنواع المسببة للتآكل وتسريع حركة الأيونات، يفتح الفريق الباب أمام بطاريات فلوريد-مغنيسيوم عالية الطاقة تكون أكثر أمانًا وأرخص وأكثر تحملًا للظروف الباردة من العديد من التقنيات الحالية. مع أن هناك حاجة لمزيد من العمل لخفض الخسائر الأولية وتوسيع النطاق، تقدّم استراتيجية مستقبل الأنيون أداة قوية لتصميم بطاريات الجيل القادم التي تتجاوز الليثيوم مع الحفاظ على الأداء الذي تتطلبه أنظمة الطاقة الحديثة.

الاستشهاد: Chen, K., Lei, M., Wang, T. et al. Exploiting a high-performance magnesium-fluoride battery prototype enabled by anion-receptor-mediated electrolyte. Nat Commun 17, 2143 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68903-5

الكلمات المفتاحية: بطاريات المغنيسيوم, تصميم الإلكتروليت, كاثود أوكسيفلورايد الحديد, مستقبل الأنيون, تخزين الطاقة