تعتمد معظم البطاريات القابلة لإعادة الشحن اليوم على حركة الأيونات بين قطبين داخل الكَهْرَل Electrolyte، وهو مادة تحوي أيوناتٍ حرةً تشكل وسطًا ناقلًا للكهرباء. في بطاريات الليثيوم، تنتقل أيونات الليثيوم ⁺Li بين القطبين أثناء الشحن والتفريغ، حاملةً معها الشحنة الكهربائية التي يمكن استخدامها لتشغيل الأجهزة. مقارنةً بأيونات الليثيوم، والتي تحمل شحنةً واحدةً فقط، بدأ الباحثون في استكشاف فئة أخرى من أنظمة البطاريات تُعرف باسم البطاريات متعددة الشحنة (1) multivalent batteries، مستخدمين  أيوناتٍ تحمل أكثر من شحنةٍ كهربائيةٍ واحدة مثل أيونات الماجنيسيوم +Mg² أو الكالسيوم +Ca².  هذه البطاريات تسمح نظريًا بنقل كمية أكبر من الشحنة في كل دورة عمل، مما يزيد من كثافة طاقة البطارية. إضافةً إلى ذلك،  فإن  هذه البطاريات تستخدم عناصر أكثر وفرة في الطبيعة.

من بين هذه العناصر، يبرز الكالسيوم كمرشح واعد، وذلك لوفرته في القشرة الأرضية، وقلة تكلفته نسبيًا، كما يمكن استخدامه كقطب معدني قادرٌ نظريًا على تخزين كمية كبيرة من الشحنة الكهربائية. لكن تحويل هذه الإمكانات النظرية إلى بطارية قابلة لإعادة الشحن ظل تحديًا كبيرًا. في هذه الدراسة، يقترح الباحثون تصميمًا جديدًا لبطارية تعتمد على تفاعل الكالسيوم مع الكلور، مما قد يمهد طريقًا جديدًا في مجال بطاريات ما بعد الليثيوم.

السؤال: لماذا يصعب بناء بطارية قابلة لإعادة الشحن تعتمد على الكالسيوم؟

المشكلة الأساسية في بطاريات الكالسيوم تكمن في طبيعة أيون الكالسيوم نفسه. فبسبب شحنته المزدوجة، يتفاعل الأيون بقوة أكبر مع الوسط المحيط به داخل البطارية، سواء في الكهرل أو داخل البنية البلورية للقطب. وهذا التفاعل القوي يؤدي إلى عدة مشاكل مثل بطء حركة الأيونات داخل المواد الصلبة، وصعوبة إدخال أيونات الكالسيوم وإخراجها من بنية الأقطاب، إضافة إلى عدم استقرار بعض الكهارل. نتيجةً لذلك، واجهت بطاريات الكالسيوم صعوبة في تحقيق تفاعلات قابلة للانعكاس وهو شرط أساسي لأي بطارية تقبل إعادة الشحن.

أحد الاتجاهات الحديثة لمعالجة هذه المشكلة هو استخدام التفاعلات التحويلية conversion reactions. فعلى عكس التفاعلات التقليدية القائمة على إدخال الأيونات في بنية المواد دون تغييرها جذريًا، تتحول المادة في التفاعلات تحويلية بالكامل إلى مركبات جديدة أثناء الشحن والتفريغ. في هذا السياق، اقترح الباحثون استخدام التفاعل بين الكلور وملح كلوريد الكالسيوم داخل البطارية.

المنهجية: كيف صُمّم هذا النظام الكهروكيميائي؟

في هذا العمل، صمّم الباحثون بطارية تعتمد على الكالسيوم المعدني كقطب سالب. على الجانب الآخر، يتفاعل الكلور Cl₂ وكلوريد الكالسيوم CaCl₂ في القطب الموجب. لكن هذا النوع من التفاعل لا يحدث بسهولة بصورة قابلة للانعكاس داخل البطارية، وهي خاصية أساسية لعمل أي بطارية قابلة لإعادة الشحن. لذلك استخدم الباحثون كهرلًا يحتوي على وسيط كهروكيميائي (2) redox mediator يساعد على نقل الإلكترونات بين مكونات التفاعل، مما يسمح بتحقيق تفاعل كهروكيميائي قابل للانعكاس  أثناء الشحن والتفريغ. هذا الوسيط يعمل كحلقة وصل بين المواد المتفاعلة، فيسهّل انتقال الشحنة ويقلل من القيود الحركية التي عادةً ما تعيق بطاريات الكالسيوم.

بطارية تعتمد على كيمياء CaCl₂/Cl₂

تظهر التجارب أن هذا التصميم يسمح بعمل بطارية كالسيوم قابلة لإعادة الشحن بكفاءة أعلى مما كان ممكنًا في المحاولات السابقة. فقد تمكن النظام المقترح من تحقيق تفاعل كهروكيميائي قابل للانعكاس بين الكلور وكلوريد الكالسيوم داخل البطارية، وهو ما كان يمثل عقبة رئيسية في هذا المجال قبل ذلك. كما بيّنت النتائج أن استخدام الوسيط الكهروكيميائي في الكهرل يساعد على تسريع انتقال الشحنة داخل النظام، مما ينعكس على أداء البطارية من حيث استقرار سعتها عبر دورات الشحن والتفريغ، وقدرتها على العمل بكفاءة حتى عند درجات الحرارة المنخفضة.

 ماذا بعد؟

تُظهر هذه الدراسة أن بطاريات الكالسيوم قد تكون خيارًا مبشرًا في البحث عن بدائل لبطاريات الليثيوم. فوفرة الكالسيوم في الطبيعة وتكلفته المنخفضة تجعله عنصرًا جذابًا لتطبيقات تخزين الطاقة على نطاق واسع. لكن الطريق لا يزال طويلًا قبل أن تصبح هذه التقنية جاهزة للاستخدام الصناعي. فهناك تحديات تتعلق بعمر البطارية، واستقرار الإلكتروليت، وكفاءة الطاقة عبر آلاف الدورات. مع ذلك، فإن تصميم أنظمة تعتمد على كيمياء الكالسيوم مع تفاعلات تحويلية مثل CaCl₂/Cl₂ قد يفتح مسارًا جديدًا لتطوير بطاريات متعددة الشحنة ذات أداء عملي في المستقبل.

على الهامش

1- البطاريات متعددة الشحنة Multivalent batteries: بطاريات تستخدم أيونات تحمل أكثر من شحنة كهربائية مثل +Ca² أو +Mg²، ما قد يسمح نظريًا بكثافة طاقة أعلى.

2- الوسيط الكهروكيميائي Redox mediator: مركب كيميائي يعمل كوسيط لنقل الإلكترونات بين المواد المتفاعلة، مشاركًا بنفسه في تفاعلات الأكسدة والاختزال، مما يسرّع التفاعل الكهروكيميائي داخل البطارية.