بطارية مائية تستخدم إلكتروليتًا عند درجة حموضة 7 ومناسبة للتخلص منها مباشرة في البيئة

لماذا تهم البطاريات المائية الأكثر أمانًا

تعتمد معظم البطاريات القابلة لإعادة الشحن اليوم على سوائل قابلة للاشتعال أو أحماض وقواعد قوية، ما يثير مخاوف تتعلق بالسلامة والبيئة. تستعرض هذه الدراسة نوعًا جديدًا من البطاريات المائية التي تعمل في محلول لطيف شبه متعادل—مشابه في الحموضة لمياه الشرب أو لماء مالح يُستخدم في صنع التوفو. وبما أن السائل خفيف ومكونات المواد الصلبة تتجنب المعادن الثقيلة، تهدف هذه البطاريات إلى تخزين الطاقة لفترة طويلة ثم التخلص منها دون إضرار بالبيئة.

مشكلات البطاريات المائية الحالية

لطالما اعتُبرت البطاريات المائية، أو "المائية"، بديلاً أكثر أمانًا عن خلايا أيون الليثيوم القياسية لأن الماء لا يحترق. ومع ذلك، تستخدم معظم التصاميم الحالية سوائل إما حمضية للغاية أو قلوية قوية. في تلك الظروف، ينقسم الماء نفسه إلى غازي الهيدروجين والأكسجين على أسطح الأقطاب. هذا يهدر الطاقة، ويجفف الخلية ببطء، ويكوّن فقاعات تضر بالأقطاب. عند رمي مثل هذه البطاريات، قد تتسبب سوائلها المسببة للتآكل أيضًا في إلحاق الضرر بالتربة والمجاري المائية. سعى المؤلفون إلى تصميم بطارية تحتفظ بمزايا الماء، لكنها تعمل عند درجة حموضة تقارب 7، قريبة من التعادل، للحد من هذه التفاعلات الجانبية.

سائل لطيف جديد ومواد صلبة مطابقة

اختار الفريق أملاحًا شائعة من المغنيسيوم والكالسيوم—MgCl₂ وCaCl₂— كأساس للسائل داخل البطارية. تُشكّل هذه الأملاح محاليل مركزة قادرة على تخزين ونقل شحنة كبيرة، ومع ذلك تبقى شبه متعادلة وتُستخدم بالفعل بأمان في معالجة الأغذية. للعمل مع هذه السوائل، صنّع الباحثون عائلة من المواد العضوية المسامية، تسمى البوليمرات العضوية التساهمية، لتعمل كقطب سالب. من خلال تغيير بسيط في الوصلة الكيميائية التي تربط وحدات بناء هذه البوليمرات، استطاعوا ضبط سهولة قبول المادة للإلكترونات وتحريكاتها وسِعة جذبها لأيونات المغنيسيوم أو الكالسيوم. برزت نسخة واحدة، باسم Hex-TADD-COP، لأنها جمعت بين نقل شحنة سريع، واستقرار حراري جيد، وجهد تشغيل منخفض، وهو أمر مرغوب لتزاوجه مع أقطاب موجبة عالية الجهد.

كيف تخزن البطارية الجديدة الشحنة

في البوليمر المختار، تحتوي الوحدات المتكررة على ذرات نيتروجين مرتبة بحيث يمكنها استقبال وإطلاق أيونات المغنيسيوم أو الكالسيوم لفترات وجيزة أثناء شحن البطارية وتفريغها. باستخدام مزيج من النمذجة الحاسوبية وأنواع متعددة من التحليل الطيفي، أظهر الباحثون أن مواقع النيتروجين هذه تنسق أيونات الثنائية التكافؤ بشكل عكسي دون تفكيك البوليمر. والأهم من ذلك أن السائل شبه المتعادل يحتوي على عدد ضئيل جدًا من البروتونات الحرة، لذا تلعب أيونات الهيدروجين دورًا ضئيلًا تقريبًا في عملية تخزين الشحنة. كشفت تجارب في محاليل أكثر حمضية أنه عندما تتوفر بروتونات إضافية فإنها تحفز تفاعلات غير مرغوبة، وتشكل رواسب عازلة على سطح القطب، وتقصّر عمر الجهاز بسرعة. على النقيض من ذلك، عند درجة حموضة 7 يحافظ القطب على أكثر من 70 بالمئة من سعته حتى بعد نحو 120,000 دورة شحن–تفريغ سريعة، وهو عمر استثنائي لبطارية مائية.

بناء خلية كاملة واختبار عمرها

لإظهار جهاز عملي كامل، جمَع الفريق القطب السالب البوليمري الجديد مع قطب موجب مصنوع من مركب شبيه باللون الأزرق البروسي يحتوي على النحاس والحديد. في محاليل أملاح المغنيسيوم أو الكالسيوم المحايدة، أنتج هذا الزوج جهد عمل يصل إلى نحو 2.2 فولت—قيمة مرتفعة لبطارية مائية متعددة التكافؤ. عند أخذ الكتلة الكلية للأقطاب والسائل في الحسبان، قدمت الخلايا طاقات نوعية تصل تقريبًا إلى 40–50 واط-ساعة لكل كيلوغرام، وهي مقارنة أو أفضل من العديد من أنظمة المغنيسيوم أو الكالسيوم الأخرى. وبقدر أهمية ذلك، حافظت الخلايا الكاملة على سعة مفيدة خلال 120,000 دورة عند تيار عالٍ، كما عملت نماذج أولية بنمط الحقيبة ذات أقطاب أثخن بثبات لآلاف الدورات، مما يشير إلى إمكانية عملية.

ماذا يعني هذا لتخزين طاقة أنظف

تُظهر الدراسة أنه من الممكن بناء بطارية قابلة لإعادة الشحن طويلة العمر تستخدم محلول ملحي متعادل من الدرجة الغذائية وقطبًا سالبًا عضويًا مصممًا لتجنب التفاعلات الجانبية المدمرة. من خلال الحفاظ على درجة الحموضة قرب 7 والاعتماد على عناصر وفيرة وغير سامة مثل المغنيسيوم والكالسيوم والكربون والنيتروجين والحديد، يبتكر المؤلفون جهازًا يمكن، مبدئيًا، التخلص منه دون معالجة خاصة ولا يزال يفي بمعايير بيئية صارمة. بينما هناك حاجة لمزيد من العمل لزيادة محتوى الطاقة وتحسين التصنيع على نطاق واسع، يشير هذا النهج إلى بطاريات أكثر أمانًا وخضرة لتطبيقات حيث تُعتبر طول العمر المفرط والأثر البيئي المنخفض أهم من استغلال كل وحدة طاقة ممكنة.

الاستشهاد: Chen, H., Feng, S., Wang, Y. et al. An aqueous battery using an electrolyte with a pH of 7 and suitable for direct environmental discard. Nat Commun 17, 2895 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69384-2

الكلمات المفتاحية: البطاريات المائية, تخزين أيونات المغنيسيوم, بطاريات أيون الكالسيوم, إلكتروليتات متعادلة, بوليمرات عضوية تساهمية