Optimization Performance of Li-ion Pouch Cell Battery: Modification of Carbon Anodes Derived from Cocoa Pod Husk through Silica Composite with Various FeCl₃ Concentrations

داخل الأكياس الأنيقة والمرنة التي تشغل كل شيء، من الهواتف الذكية إلى المركبات الكهربائية، يكمن مكون حيوي: الأنود (المصعد). هذا هو القطب السالب حيث تستقر أيونات الليثيوم، وهي الجسيمات الصغيرة المشحونة التي تحمل الطاقة، أثناء عملية الشحن وتطلق طاقتها أثناء عملية التفريغ. لعقود من الزمن، كان المعيار الصناعي لهذه المهمة هو الغرافيت، وهو شكل من أشكال الكربون يتميز بالموثوقية ولكنه يمتلك سقفاً محدداً لمدى كمية الطاقة التي يمكنه تخزينها. لطالما سعى الباحثون عن مواد يمكنها تخزين طاقة أكبر دون أن تتمدد وتتفكك، وغالباً ما استلهموا ذلك من الطبيعة. توفر الكتلة الحيوية، أو مخلفات النباتات، نقطة انطلاق واعدة لأنها رخيصة، وفيرة، ومسامية بطبيعتها، مما يعني أنها تحتوي على ثقوب صغيرة يمكنها احتجاز الأيونات. ومع ذلك، فإن المواد النباتية الخام نادراً ما تكون جاهزة للقيام بهذه المهمة؛ إذ يجب تحويلها إلى مادة كربونية ذات بنية عالية لكي تتحمل البيئة الكيميائية المكثفة داخل البطارية. ويكمكم التحدي في إيجاد طريقة لتحويل النفايات الزراعية إلى وحدة تخزين طاقة عالية الأداء، تكون مستدامة وقوية في آن واحد.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في معهد تكنولوجيا كاليمان (Institut Teknologi Kalimantan) وجامعة ساغا (Saga University) خطوة نحو حل هذه المعضلة عبر تحويل قشور كبسولات الكاكاو المهملة إلى أنود متطور للبطارية. تُعد كبسولات الكاكاو، وهي القشور الخارجية للفاكهة المستخدمة في صنع الشوكولاتة، مهملات تُرمى عادةً، مما يمثل كمية هائلة من النفايات الزراعية. قام الباحثون بجمع هذه القشور وإخضاعها لعملية تحول صارمة. أولاً، عالجوا القشور المجففة بمحلول كيميائي يحتوي على كلوريد الحديد، وهي مادة تساعد في تفكيك ألياف النبات القوية وتنشئ شبكة من المسام الدقيقة. ثم قاموا بتسخين المادة إلى درجات حرارة عالية جداً، وهي عملية تُعرف باسم "الكربنة"، والتي تعمل على تجريد المادة من العناصر غير الكربونية وتترك وراءها بنية كربونية مسامية نقية. ولدفع الأداء إلى مستويات أبعد، قاموا بدمج هذه المادة بالكربون مع السيليكا، وهي مادة توجد في نفايات الرمال الحرارية الأرضية، وتشتهر بقدرتها على تخزين كمية كبيرة من الليثيوم. وكانت النتيجة مادة مركبة تجمع بين البنية المسامية لكربون قشر الكاكاو والقدرة العالية على التخزين للسيليكا.

اختبر الباحثون عدة تنويعات لهذه العملية، من خلال تغيير تركيز محلول كلوريد الحديد لمعرفة أي نسخة ستنتج أفضل مادة. ووجدوا أن قوة المعالجة الكيميائية أحدثت فرقاً كبيراً. فعندما كان التركيز منخفضاً، كان الكربون الناتج لا يزال كثيفاً نوعاً ما ويفتقر إلى الشبكة الضرورية من الثقوب التي تسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك بحرية. ومع زيادة تركيز كلوريد الحديد، أصبح الكربون أكثر مسامية وطور مساحة سطح أكبر بكثير. النسخة الأكثر نجاحاً، والتي تم إنتاجها باستخدام أعلى تركيز للمادة الكيميائية، أنتجت مادة ذات مساحة سطح تبلغ 616.304 متر مربع لكل جرام. ولتخيل حجم مساحة السطح هذه، تخيل أن جراماً واحداً من هذه المادة يمتلك نفس إجمالي مساحة سطح ملعب تنس صغير، وكل ذلك مضغوط في بنية مجهرية. وفر هذا المشهد الداخلي الشاسع أماكن لا حصر لها لارتباط أيونات الليثيوم، مما عزز بشكل كبير قدرة المادة على تخزين الطاقة.

عندما قام الفريق ببناء نماذج أولية لبطاريات باستخدام هذه المادة الجديدة كأنود، كانت النتائج واضحة. فالبطارية التي تحتوي على كربون قشر الكاكاو المعالج بأعلى تركيز من كلوريد الحديد والمدمج مع السيليكا قدمت سعة نوعية بلغت 405.56 مللي أمبير-ساعة لكل جرام. وهذا الرقم أعلى من سعة أقطاب الغرافيت التجارية القياسية، والتي تصل سعتها عادةً إلى حوالي 372 مللي أمبير-ساعة لكل جرام. كما حققت البطارية جهداً تشغيلياً مستقراً قدره 3.083 فولت. لاحظ الباحثون أن تحسن الأداء كان مرتبطاً مباشرة بجودة المسام؛ فقد أدت المعالجة ذات التركيز العالي إلى توزيع منتظم لجزيئات السيليكا داخل إطار الكربون، مما يضمن وصول أيونات الليثيوم إلى مواقع التخزين بسهولة وسرعة. وقد أدى ذلك إلى تقليل المقاومة الداخلية للبطارية، مما سمح بشحنها وتفريغها بكفاءة أكبر.

تؤكد الدراسة أن تحويل النفايات الزراعية إلى مكونات بطارية عالية التقنية هو مسار قابل للتطبيق للمضي قدماً. فمن خلال استخدام معالجة كيميائية بسيطة ومنتج طبيعي من النفايات، أثبت الباحثون أنه من الممكن إنشاء مادة أنود تتفوق على الخيارات التقليدية. لم تتطلب العملية مواد خام غريبة أو باهظة الثمن؛ بل اعتمدت بدلاً من ذلك على تحسين بنية شيء متاح بالفعل بكميات كبيرة. وتشير النتائج إلى أن مفتاح الحصول على بطاريات أفضل قد لا يكمن دائماً في اختراع مواد جديدة تماماً، بل في تحسين كيفية معالجة المواد التي نمتلكها بالفعل. يوفر هذا النهج طريقة لتقليل النفايات مع تحسين كثافة الطاقة للبطاريات التي تشغل عالمنا الحديث في الوقت نفسه.