Oxidized Sodium Alginate Regulates Water Activity and Zn²⁺ Transport in Polyacrylamide Hydrogel Electrolytes for Stable Aqueous Zinc-Ion Batteries

تخيل عالم تخزين الطاقة كمدينة صاخبة حيث الكهرباء هي العملة المتداولة. لعقود من الزمن، كانت البنوك الأكثر شعبية في هذه المدينة هي بطاريات الليثيوم أيون، تلك القوى الصغيرة الموجودة داخل هاتفك وسياراتك الكهربائية. إنها رائعة، لكن لديها بعض العيات: فهي تستخدم وقوداً سائلاً قابلاً للاشتعال يمكن أن يشتعل إذا ارتفعت الحرارة، و"الذهب" الذي تحتاجه (الليثيوم) يصعب العثور عليه ومكلف الثمن. يبحث العلماء عن بديل أكثر أماناً وأرخص ثمناً، وقد وجدوا مرشحاً واعداً في شكل الزنك. فكر في الزنك كجار موثوق، وفير، وغير قابل للاشتعال. ومع ذلك، فإن بناء بطارية بالزنك أمر صعب؛ فعندما تحاول شحنها وتفريغها، لا تترتب ذرات الزنك دائماً بشكل منظم، بل تميل إلى النمو على شكل نتوءات حادة تشبه الإبر تسمى "الدندريتات" (dendrites)، والتي يمكن أن تسبب ماساً كهربائياً في البطارية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للماء المستخدم في هذه البطاريات أن يتفاعل أحياناً مع المعدن، مما يسبب الصدأ وهدر الطاقة.

ولحل هذه المشكلات، يجري الباحثون تجارب على "الهيدروجيل" (hydrogels). إذا كان الإلكتروليت السائل يشبه المسبح، والبطارية الصلبة تشبه الطوبة، فإن الهيدروجيل يشبه الإسفنجة المبللة؛ فهو يحفظ الماء بداخله ضمن شبكة ناعمة ومرنة، مما يسمح للأيونات (الجسيمات المشحونة) بالسباحة عبرها مع الحفاظ على كل شيء في مكانه. التحد_ي الكبير هو جعل هذه الإسفنجة ذكية بما يكفي لتوجيه ذرات الزنك بدقة ومنع الماء من التسبب في المشاكل. وهنا يأتي دور دراسة جديدة من جامعة نانجينغ للعلوم والتكنولوجيا، والتي تحاول تحويل إسفنجة بسيطة إلى مراقب مرور عالي التقنية للكهرباء.

قرر الباحثون في هذه الورقة البحثية خلط مكون خاص في إسفنجة الهيدروجيل القياسية من "البولي أكريلاميد" (PAM). لقد أخذوا مادة طبيعية شائعة تسمى "ألجينات الصوديوم" (والتي تُستخرج من الأعشاب البحرية وتُستخدم غالباً لجعل الآيس كريم كريمياً) وأعطوها لمسة كيميائية. من خلال معالجتها بعملية كيميائية محددة، حولوها إلى "ألجينات الصوديوم المؤكسدة" (OSA). يمكنك التفكير في هذه العملية كأنك تمنح الأعشاب البحرية مجموعة جديدة من "الأيدي" و"الخطافات". فالأعشاب البحرية الأصلية كانت تحتوي على بعض الأجزاء اللزجة، لكن نسخة الـ OSA تمتلك مجموعات إضافية غنية بالأكسجين تعمل مثل مغناطيسات صغيرة للماء وأيونات الزنك.

عندما خلطوا هذه الـ OSA في إسفنجة الهيدروجيل، كانت النتائج تشبه ترقية مسار طيني إلى طريق سريع واسع وسلس. وجد الفريق أن هيدروجيل "PAM OSA-0.9" الجديد (سمي بهذا الاسم لأنهم استخدموا 0.9 جرام من المكون الخاص لكل دفعة) طور بنية أكثر انفتاحاً ومسامية. كان الأمر كما لو أن الإسفنجة نمت فيها فجأة ثقوب أكبر، مما جعل من السهل على أيونات الزنك المرور بسرعة. وبفضل هذه البنية المفتوحة والأيدي "المغناطيسية" للـ OSA، قفزت قدرة البطارية على توصيل الكهرباء بشكل كبير؛ حيث ارتف conductivity من 16.2 mS cm⁻¹ إلى 28.6 mS cm⁻¹. والأفضل من ذلك، أن "شرطة المرور" داخل الجل أصبحت أكثر كفاءة في توجيه أيونات الزنك فقط للتحرك، مما رفع "رقم انتقال الزنك (Zn²⁺)" من 0.88 إلى 0.93. وهذا يعني هدر طاقة أقل في الأجزاء المتحركة الأخرى، وتوجيه المزيد من القوة تماماً إلى حيث هي مطلوبة.

كما أظهرت الدراسة أن هذا الجل الجديد كان بارعاً في الحفاظ على السلام في سطح البطارية. في البطاريات العادية، يمكن للماء أن يسبب تآكل الزنك (الصدأ) أو يخلق فقاعات من غاز الهيدروجين، مما يقضي على عمر البطارية. عمل جل الـ OSA المعدل كدرع واقٍ، حيث هدأ من حالة الماء وأوقف هذه التفاعلات غير المرغوب فيها. ونتيجة لذلك، تمددت "نافذة الاستقرار" للبطارية (وهي نطاق الجهد الذي يمكنها تحمله دون أن تتعطل) من 2.36 فولت إلى 2.47 فولت.

وعندما اختبروا البطارية أثناء العمل، كان الفرق شاسعاً. في اختبار بسيط حيث يتم شحن وتفريغ البطارية ذهاباً وإياباً (خلية متماثلة)، سمح الجل الجديد للبطارية بالعمل بسلاسة لمدة 1,300 ساعة دون فشل. وفي المق المقابل، بدأ الجل القديم في التعثر والفشل بعد أقل من نصف تلك المدة. وعندما صنعوا بطارية كاملة بقطب زنك سالب ومهبط "فاناديوم" خاص، ساعد الجل الجديد البطارية على الاحتفاظ بـ 79% من قوتها بعد 220 دورة. والأكثر إثارة للإعجاب، أنه عندما دفعوا البطارية للعمل بسرعة كبيرة (بمعدل 5.0 A g⁻¹)، تمكنت من الحفاظ على 58% من سعتها بعد 3,500 دورة هائلة.

يشير الباحثون إلى أن "السر" يكمن في كيفية تغيير الـ OSA للبيئة المحيطة بالزنك. فبدلاً من ترك الزنك ينمو على شكل تلك النتوءات الحادة والخطيرة، يشجع الجل ذرات الزنك على الاستقرار في طبقات مسطحة ومتساوية، مثل فرد الزبدة على قطعة التوست بدلاً من تكويمها كالجبل. هذا النمو المنتظم يمنع حدوث ماس كهربائي في البطارية. ورغم أن الورقة البحثية لا تدعي أن هذا هو الحل النهائي لكل بطارية على وجه الأرض، إلا أنها تشير بقوة إلى أن إضافة هذا المكون المشتق حيوياً من الأعشاب البحرية هي طريقة بسيطة وفعالة لجعل بطاريات الزنك المائية أكثر أماناً، وأطول عمراً، وأقوى. إنه تعديل بسيط في الوصفة يجعل نظام البطارية بأكمله يعمل بسلاسة أكبر بكثير.