Atmosphere-Controlled Aqueous Sodium-Ion Storage Kinetics in Na 3.64 Ni 2.18 (P 2 O 7 ) 2 Cathode for Hybrid Capacitor

إن الجوع العالمي للطاقة ينمو بشكل أسرع من قدرتنا على تخزينها. نحن بحاجة إلى أجهزة يمكنها الاحتفاظ بالكثير من الطاقة لفترة طويلة، مثل البطارية، ولكن يمكنها أيضًا إطلاق هذه الطاقة فورًا، مثل المكثف. لعقود من الزمن، كانت بطاريات الليثيوم أيون هي المعيار الذهبي، لكن الليثيوم الذي تعتمد عليه أصبح نادرًا ومكلفًا. وقد دفع هذا العلماء للبحث نحو الصوديوم، وهو عنصر متوفر بكثرة في القشرة الأرضية ورخيص التوفر. تقدم أجهزة أيونات الصوديوم بديلًا واعدًا، لكنها تواجه تحديًا: أيونات الصوديوم أكبر حجمًا من أيونات الليثيوم، مما يجعل حركتها سريعة عبر المواد داخل البطارية أمرًا صعبًا. ولحل هذه المشكلة، يحاول الباحثون بناء أجهزة هجينة تجمع بين أفضل سمات كل من البطاريات والمكثفات الفائقة، باستخدام الصوديوم لتخزين الطاقة بكفاءة وإطلاقها بسرعة.

في دراسة حديثة، ركز فريق من الباحثين في الهند على ابتكار مادة محددة لتعمل كجانب إيجابي، أو مهبط (كاثود)، لمثل هذا الجهاز الهجين. لقد اختاروا مركبًا مكونًا من الصوديوم والنيكل ونوعًا محددًا من بنية الفوسفات. ولم يكن مفتاح عملهم مجرد صنع المادة، بل التحكم في البيئة التي تُخبز فيها. لقد قاموا بتخليق المادة باستخدام طريقة الاحتراق، وهي عملية تعتمد أساسًا على خلط المواد الكيميائية في الماء وتسخينها حتى تتفاعل بعنف لتشكل مسحوقًا صلبًا. ولرؤية كيف أثرت البيئة على المنتج النهائي، قسموا العملية إلى مسارين؛ حيث تم تسخين دفعة في الهواء العادي، بينما تم تسخين الدفعة الأخرى في غرفة مغلقة مليئة بالأرجون، وهو غاز خامل يمنع الأكسجين من التفاعل مع المادة.

وجد الباحثون أن الغلاف الجوي المستخدم أثناء عملية التسخين هذه أحدث فرقًا جذريًا في البنية الداخلية للمادة وأدائها. فعندما فحصوا المادة التي خُبزت في الأرجون، اكتشفوا أنها تحتوي على مزيج من ذرات النيكل في حالتين مختلفتين، مما ساعد الإلكترونات على الحركة بحرية أكبر. أظهرت العينة المعالجة بالأرجون علامات على تشوهات في الشبكة البلورية المحلية وإدخال مواقع عيوب، مما خلق بيئة فقيرة بالأكسجين سهلت عملية قفز الإلكترونات. وفي المقابل، افتقرت المادة التي خُبزت في الهواء إلى هذه التعديلات الهيكلية المحددة. استخدم الفريق مجاهر قوية وأدوات طيفية للتأكد من أن النسخة المخبوزة بالأرجون تمتلك هذه العيوب المثالية وحالات التكافؤ، وهي أمور بالغة الأهمية للسماح لأيونات الصوديوم بالدخول والخروج من المادة بسرعة أثناء الشحن والتفريغ.

ولاختبار ما إذا كانت هذه المادة قادرة حقًا على العمل في جهاز حقيقي، قام العلماء ببناء مكثف هجين. فقد قرنوا مهبط الصوديوم والنيكل الجديد بمهبط (أنود) يعتمد على الكربون، وغمروا التجميعة بأكملها في محلول إلكتروليتي سائل. وعندما اختبروا الجهاز، تفوقت النسخة المصنوعة من المادة المخبوزة بالأرجون على النسخة المصنوعة في الهواء بفارق كبير؛ إذ استطاع الجهاز المخبوز بالأرجون تخزين المزيد من الطاقة وإطلاقها بمعدل أعلى. وتحديدًا، حقق كثافة طاقة بلغت 38 واط-ساعة لكل كيلوغرام وكثافة قدرة بلغت 489 واط لكل كيلوغرام. هذه الأرقام مهمة لأنها تظهر أن الجهاز يمكنه الاحتفاظ بكمية كبيرة من الطاقة مع القدرة في الوقت نفسه على إطلاقها بسرعة، وهو توازن يصعب تحقيقه.

كانت متانة الجهاز أيضًا محور تركيز رئيسي. فقد مرر الباحثون المكثف عبر ألفي دورة شحن وتفريغ لمعرفة مدى صموده بمرور الوقت. وقد احتفظ الجهاز الذي يستخدم المادة المخبوزة بالأرجون بنسبة 86 بالمائة من سعته الأصلية بعد كل تلك الدورات، مما يثبت أن المادة قوية بما يكفي للاستخدام طويل الأمد. كما استخدم الفريق محاكاة حاسوبية لنمذجة كيفية حركة الأيونات داخل الجهاز، وطابقت النتائج تجاربهم الفيزيائية، مما أكد أن الأداء المحسن يعود إلى سرعة نقل الأيونات وتحسين التوصيل الكهربائي. تشير هذه الدراسة إلى أنه من خلال تغيير الغلاف الجوي ببساطة أثناء عملية التصنيع، يمكن للعلماء تحسين كفاءة وعمر تخزين الطاقة القائمة على الصوديوم بشكل كبير، مما يوفر مسارًا قابلًا للتطبيق نحو أنظمة طاقة أكثر استدامة وقوة.