High-Power Energy Storage and Stability of Ti3C2Tx MXene at Extreme Temperatures

تأتي أجهزة تخزين الطاقة في أشكال عديدة، لكنها تندرج عموماً تحت معسكرين مختلفين تماماً في نقاط قوتهما. البطاريات تشبه الآبار العميقة؛ يمكنها احتواء كمية هائلة من الطاقة، ولكن يستغرق الأمر وقتاً لاستخراج تلك المياه أو إعادة ملء البئر. أما المكثفات، من ناحية أخرى، فهي تشبه البرك الواسعة والضحلة؛ لا يمكنها احتواء قدر كبير من إجمالي المياه، ولكن يمكنها إطلاقها بشكل فوري تقريباً وإعادة ملئها بنفس السرعة. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن مادة يمكنها الجمع بين أفضل ما في العالمين: القدرة على تخزين كمية كبيرة من الطاقة مع إطلاقها بسرعة البرق. هذه المادة المثالية من شأنها أن تشغل كل شيء، بدءاً من المركبات الكهربائية التي تحتاج إلى الكبح وإعادة الشحن في ثوانٍ، وصولاً إلى مراكز البيانات الضخمة التي تدير عالمنا الرقمي. وأحد المرشحين الواعدين لهذا الدور هي عائلة من المواد تسمى "المكسين" (MXenes)، وهي عبارة عن صفائح ثنائية الأبعاد رقيقة توصل الكهرباء بشكل استثنائي ويمكنها تخزين الشحنة من خلال تفاعلات كيميائية سريعة على أسطحها.

ومع ذلك، لكي تكون هذه المواد مفيدة في العالم الحقيقي، يجب أن تصمد أمام الظروف القاسية للاستخدام الفعلي. فهي تحتاج للعمل في البرودة الشديدة، مثل الهواء المتجمد في المرتفعات العالية، وفي الحرارة الشديدة، مثل درجات الحرارة الموجودة في سيارة مركونة في يوم صيفي. كما أنها تحتاج للصمود لسنوات دون أن تتفكك. وضع فريق من الباحثين مؤخراً هدفاً لاختبار نوع معين من "المكسين"، مكون من التيتانيوم والكربون وعناصر أخرى، تحت هذه الظروف الصعبة. أرادوا معرفة مدى أدائه في محلول حمضي قوي عبر نطاق واسع من درجات الحرارة، والأهم من ذلك، فهم كيفية وسبب تدهوره بمرور الوقت بدقة. وتكشف نتائجهم أن هذه المادة قوية للغاية، وقادرة على تقديم طاقة عالية من البرد القارس إلى الغليان الساخن، لكنهم اكتشفوا أيضاً نقطة ضعف خفية: المادة تذوب ببطء في الحمض ما لم يتم الحفاظ عليها في حالة كهربائية محددة.

بدأ الباحثون باختبار قدرة المادة على تخزين وإطلاق الطاقة في محلول من حمض الكبريتيك، يتراوح من درجة حرارة شديدة البرودة عند ناقص أربعين درجة مئوية إلى درجة حرارة حارقة عند مائة درجة مئوية. في البرد، تتباطأ حركة الأيونات في السائل، مما يؤدي عادةً إلى شل أجهزة تخزين الطاقة. وفي الحرارة، تتسارع التفاعلات الكيميائية، مما يؤدي غالباً إلى تفكك المواد. ورغم هذه التحديات، أظهرت الصفائح القائمة على التيتانيوم أداءً ثابتاً بشكل مثير للدهشة. فبمعدل شحن وتفريغ لا يتجاوز اثنتي عشرة ثانية، حافظت المادة على سعة عالية عبر نطاق درجات الحرارة بأكمله. لقد قدمت سعة حجمية قدرها سبعمائة فاراد لكل سنتيمتر مكعب وسعة نوعية تبلغ حوالي ثمانين مللي أمبير-ساعة لكل جرام. وهذا يعني أن المادة يمكنها تخزين كمية كبيرة من الطاقة وإطلاقها فوراً تقريباً، بغض النظر عما إذا كانت البيئة متجمدة أو مغلية. والحد الوحيد الذي وجدوه كان عند أدنى مقياس لدرجة الحرارة، حيث تجمد القطب المرجعي المستخدم لقياس الجهد، وليس المادة نفسها. وهذا يشير إلى أنه في جهاز حقيقي، يمكن للمادة أن تعمل حتى في ظروف أكثر برودة.

ولفهم مدى طول عمر هذه المادة، أخضعها الفريق لاختبار جهد استمر لمدة شهر كامل عند درجة حرارة سبعين درجة مئوية. وضعوا المادة في خلية كهربائية وحافظوا عليها عند جهد سالب ثابت، مما يحاكي حالة يكون فيها الجهاز مشحوناً بالكامل وجاهزاً للعمل. وتحت هذه الظروف، احتفظت المادة بنسبة ٩١٪ من قدرتها الأولية على تخزين الشحنة بعد ثلاثين يوماً. هذا مستوى مذهل من الاستقرار، يتفوق على العديد من المكثفات الفائقة التقليدية القائمة على الكربون والتي تم اختبارها تحت ظروف مماثلة. ومع ذلك، عندما اختبروا المادة تحت ظروف الدائرة المفتوحة - حيث تُترك دون أي اتصال كهربائي للحفاظ على حالة معينة - كانت النتائج مختلفة تماماً. في هذه الحالة غير المشحونة، تدهورت المادة بشكل أسرع بكثير، حيث احتفظت بـ ٥٣٪ فقط من سعتها بعد الشهر نفسه. وقد أشار هذا الاختلاف الدراماتيكي إلى سبب محدد: كان الجهد الكهربائي المطبق على المادة هو المفتاح لبقائها.

وفي تعمق أكبر، بحث الباحثون فيما يحدث فعلياً للمادة على المستوى الكيميائي. حللوا السائل المحيط بالأقطاب المتآكلة ووجدوا أن ذرات التيتانيوم قد ذابت في المحلول. ومن خلال مقارنة كمية التيتانيوم المذاب بفقدان الأداء، أكدوا أن الطريقة الأساسية لفشل هذه المادة هي الذوبان الكيميائي. ذرات التيتانيوم ببساطة تغادر الصفيحة الصلبة وتدخل في السائل. وتتسارع هذه العملية عندما تُترك المادة عند جهد متعادل أو في دائرة مفتوحة. ومع ذلك، عندما يتم تطبيق جهد سالب، تصبح المادة أكثر استقراراً. يبدو أن الشحنة السالبة تخلق بيئة واقية تجعل من الصعب على الحمض سحب ذرات التيتانيوم بعيداً. استخدم الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية لرسم خريطة استقرار المادة عبر جهود ومستويات حموضة مختلفة، مما خلق نوعاً من الخرائط يُعرف باسم مخطط "بوربوا" (Pourbaix diagram). تنبأت هذه الخرائط بأن المادة ستكون مستقرة عند الجهود السالبة ولكنها غير مستقرة عند الجهود الأعلى، وهو ما طابق ملاحظاتهم التجريبية تماماً.

كما كشفت الدراسة أن البيئة تلعب دوراً هائلاً. فعندما وضع الباحثون المادة في ماء نقي بدلاً من الحمض، تغيرت آلية التدهور تماماً. ففي الماء، لم تذب المادة، بل تحولت ببطء إلى ثاني أكسيد التيتانيوم، وهو مسحوق أبيض، وكربون غير منتظم. وكان هذا التحول مدفوعاً بالأكسجين الموجود في الهواء. وعندما عرضوا العينات المعتمدة على الماء للهواء النقي، تسارع التدهور بسرعة، وتحولت العينة بأكملها إلى اللون الأبيض في غضات. أما في المحلول الحمضي، فلم يتسبب الأكسجين في هذا الانهيار السريع. فقد أدت البيئة الحمضية إلى نوع مختلف من التحلل، وهو النوع المدفوع بذوبان المعدن نفسه، والذي يمكن إبطاؤه من خلال الحفاظ على المادة عند جهد سالب.

توفر هذه النتائج خارطة طريق واضحة لاستخدام هذه المادة في أجهزة تخزين الطاقة المستقبلية. فالصفائح القائمة على التيتانيوم قادرة على العمل في درجات حرارة قصوى وتقديم طاقة عالية، مما يجعلها مرشحاً قوياً للتطبيقات التي تكون فيها السرعة والموثوقية أمراً حاسماً. ويكمن مفتاح إطلاق كامل إمكاناتها في إدارة حالتها الكهربائية. فمن خلال ضمان بقاء المادة عند جهد سالب، يمكن للمهندسين إطالة عمرها الافتراضي بشكل كبير ومنع ذوبانها في الإلكتروليت. كما يسلط البحث الضوء على أهمية استخدام الأدوات الحسابية للتنبؤ بكيفية سلوك المواد قبل بنائها. ومن خلال الجمع بين الاختبار التجريبي وهذه الخرائط التنبؤية، يمكن للعلماء اختيار المزيج الصحيح من المواد وظروف التشغيل لبناء أنظمة تخزين طاقة متينة وعالية الأداء تعمل في أقسى البيئات التي يمكن تخيلها.