Unveiling the Anion Effect of Potassium Salts on Lawsone-Based Anolytes for Aqueous Redox Flow Batteries

تخيل عالماً يمكننا فيه تخزين طاقة الشمس من يوم صيفي مشرق واستخدامها لتزويد منازلنا بالطاقة في ليلة شتاء مظلمة. هذا هو حلم تخزين الطاقة على نطاق واسل، وأحد أكثر الأدوات واعداً لهذه المهمة هو "بطارية التدفق". لا تفكر في بطارية التدفق ككتلة ثابتة من المعدن مثل بطارية الهاتف، بل كمحرك يعمل بالسوائل. فهي تستخدم خزانين من سوائل كيميائية خاصة تتدفق بجانب بعضها البعض لتوليد الكهرباء. وتكمن روعة هذه الأنظمة في أنها آمنة، ورخيصة، ويمكن جعلها بحجم مسبح أو صغيرة بحجم حقيبة يد، اعتماداً على مقدار الطاقة التي تحتاجها.

ومع ذلك، فإن العثور على "الوقود" المناسب لهذه المحركات السائلة أمر صعب. يبحث العلماء عن جزيئات عضوية — وهي مركبات كربونية موجودة في الطبيعة — يمكنها تبادل الإلكترونات ذهاباً وإياباً بسرعة دون أن تتفكك. أحد هذه الجزيئات يسمى "لوسون" (Lawsone)، وهو مادة كيميائية طبيعية توجد في نبات الحناء. إنه رخيص وصديق للبيئة، لكن لديه شخصية متقلبة: فهو يحب التفاعل في السوائل القلوية القوية (التي تشبه الصابون)، مما يساعده على الذوبان والعمل بسرعة، ولكن تلك البيئة القوية نفسها تنهشه في النهاية، مما يؤدي إلى فقدان البطارية لقدرتها بمرور الوقت. والسؤال الكبير الذي كان يشغل العلماء هو: هل يمكننا تعديل البيئة السائلة لجعل "اللوسون" سعيداً ومستقراً دون تغيير جزيء اللوسون نفسه؟

هذا بالضبط ما عزم فريق من الباحثين من جامعة سيول الوطنية للعلوم والتكنولوجيا وجامعة كونغجو الوطنية على استقصائه. لقد قرروا لعب لعبة "المزج والمطابقة الكيميائية" مع السائل المحيط باللوسون. عادةً ما تستخدم هذه البطاريات سائلاً قوياً وقلوياً يسمى هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) لمساعدة اللوسون على العمل. تساءل الباحثون عما إذا كان بإمكانهم جعل السائل أقل "صابونية" عن طريق استبدال بعض هيدروكسيد البوتاسيوم بملح مختلف، وهو كلوريد البوتاسيوم (KCl)، وهو في الأساس قريب ملح الطعام. كان منطقهم بسيطاً: إذا كانت البيئة أقل قسوة، فربما لن تنهش اللوسون بنفس السرعة، وبالتالي ستدوم البطارية لفترة أطول.

لقد أقاموا سباقاً بين فريقين. استخدم الفريق (أ) سائل هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) القوي التقليدي. واستخدم الفريق (ب) سائلاً مختلطاً بأقل قدر من هيدروكسيد البوتاسيوم وأكثر من كلوريد البوتاسيوم (KCl)، آملين أن تكون البيئة الألطف ستحمي البطارية. قاموا بتشغيل البطاريات عبر 100 دورة من الشحن والتفريغ، مثل تشغيل ماراثون لمعرفة من يمكنه الحفاظ على سرعته لأطول فترة ممكنة.

جاءت النتائج مفاجئة قلبت نظريتهم الأولية رأساً على عقب. توقعوا أن يفوز الفريق (ب) (المزيج الألطف) لأنه أقل قسوة على اللوسون. بدلاً من ذلك، عبر الفريق (أ) (سائل KOH القوي) خط النهاية بأداء أقوى بكثير. بعد 100 دورة، احتفظت البطارية ذات سائل هيدروكسيد البوتاسيوم القوي بـ 72% من طاقتها الأصلية. وفي المقابل، لم تحتفظ البطارية ذات السائل المختلط الألطف إلا بـ 42% من طاقتها.

لماذا فشل النهج "الألطف"؟ اكتشف الباحثون أنه بينما أدى خفض القلوية إلى إبطاء بعض التحلل الكيميائي، إلا أنه أبطأ أيضاً قدرة اللوسون على القيام بعمله. الأمر يشبه محاولة الجري في سباق وأنت ترتدي أحذية ثقيلة؛ قد لا تتعرض للأذى بسهولة، لكنك ستكون بطيئاً جداً لإنهاء السباق. لقد عمل سائل هيدروكسيد البوتاسي_ (KOH) القوي مثل زوج من أحذية الجري عالية التقنية، مما سمح لللوسون بنقل الإلكترونات بسرعة فائقة. وعندما استبدلوا ذلك بالملح، أصبحت "الأحذية" ثقيلة وغير متناسقة، وتباطأت التفاعلات الكيميائية، ولم تستطع البطارية مواكبة السرعة، مما أدى إلى فقدان أسرع للطاقة.

ومن المثير للاهتمام أنهم وجدوا أيضاً أن السائل "الألطف" لم يبقَ لطيفاً لفترة طويلة. فمع تشغيل البطارية، أصبح السائل لدى الفريق المختلط في الواقع قوياً وصابونياً تماماً مثل الفريق الأصلي، لذا تبخرت الحماية التي كانوا يأملونها على أي حال. وتخلص الدراسة إلى أن مجرد جعل السائل أقل قلوية ليس هو الحل السحري. بدلاً من ذلك، يكمن سر البطارية طويلة الأمد في إيجاد التوازن: إبقاء السائل قوياً بما يكفي للسماح لللوسون بالتحرك بسرعة، مع إيجاد طرق أخرى لمنعه من التحلل. اتضح أن بالنسبة لللوسون، فإن القليل من "القسوة" ضروري بالفعل للحفاظ على تدفق الطاقة.