مواد مبتكرة للمكثفات الفائقة من النفايات

ما هو القاسم المشترك بين زجاجات المياه والبيض والقنب والأسمنت؟ ويمكن هندستها إلى أجهزة تخزين طاقة غريبة، ولكنها وظيفية، تسمى المكثفات الفائقة.

وكما يوحي اسمها، فإن المكثفات الفائقة تشبه المكثفات ذات السعة الأكبر. وعلى غرار البطارية، يمكنها تخزين الكثير من الطاقة، لكن يمكنها أيضًا الشحن أو التفريغ بسرعة، على غرار المكثف. وعادةً ما يتم العثور عليها عندما تكون هناك حاجة إلى قدر كبير من الطاقة بسرعة ولفترة محدودة، مثل الكهرباء الاحتياطية شبه الفورية لمصنع أو مركز بيانات.

عادةً، تتكون المكثفات الفائقة من قطبين من الكربون المنشط أو الجرافين، وإلكتروليتات لإدخال الأيونات إلى النظام، وصفيحة مسامية من البوليمر أو الألياف الزجاجية لفصل الأقطاب الكهربائية فعليًا. عندما يتم شحن المكثف الفائق بالكامل، تتجمع كل الأيونات الموجبة على جانب واحد من اللوحة الفاصلة، بينما تتجمع جميع الأيونات السالبة على الجانب الآخر. عندما يتم تفريغها، يتم توزيع الأيونات بشكل عشوائي، ويمكنها التبديل بين هذه الحالات بشكل أسرع بكثير من البطاريات.

ويعتقد بعض العلماء أن المكثفات الفائقة يمكن أن تصبح أكثر ممتاز. ويعتقدون أن هناك إمكانية لجعل هذه الأجهزة أكثر استدامة، وبتكلفة أقل، وربما أداء أفضل إذا تم تصنيعها من مواد أفضل.

وربما كانوا على حق. في الشهر الماضي، أعلنت مجموعة من جامعة ميشيغان التكنولوجية عن تصنيع مكثفات فائقة من زجاجات المياه البلاستيكية ذات سعة أعلى من تلك التجارية.

هل تعني هذه النتيجة أن المكثفات الفائقة البلاستيكية المعاد تدويرها ستكون موجودة في كل مكان قريبًا؟ إن تاريخ تجارب استدامة المكثفات الفائقة المماثلة لا يشير إلى ذلك.

قبل حوالي خمسة عشر عامًا، بدا الأمر وكأن الطلب على المكثفات الفائقة سيكون مرتفعًا، ولكن بسبب الاستثمارات الضخمة في تكنولوجيا أيونات الليثيوم، أصبحت البطاريات منافسة شديدة، كما يوضح يوري جوجوتسي، الذي يدرس المواد اللازمة لأجهزة تخزين الطاقة في جامعة دريكسيل. ويقول: “لقد أصبحت أرخص بكثير وأسرع بكثير في توصيل الطاقة، لدرجة أن نطاق التطبيقات بالنسبة للمكثفات الفائقة أصبح محدودًا”. “في الأساس، تحول الاتجاه من جعلها أرخص ومتاحة إلى جعلها تؤدي أداءً لا تستطيع بطاريات الليثيوم أيون القيام به.”

ومع ذلك، لا يزال بعض الباحثين متفائلين بأن الأجهزة الصديقة للبيئة لها مكان في السوق. يرى يون هانج هو، عالم المواد في فريق جامعة ميشيغان التكنولوجية، أن هناك «طريقًا واعدًا للتسويق التجاري [for the water bottle-derived supercapacitor] بمجرد معالجة تحديات التجميع والمعالجة.

وإليك كيف يصنع العلماء المكثفات الفائقة بمواد غريبة وغير متوقعة:

زجاجات المياه

لقد اتضح أن زجاجة سبرينغ بولندا القديمة يمكنها في يوم من الأيام تخزين الطاقة بدلاً من الماء. الشهر الماضي في المجلة الطاقة والوقودنشر فريق جامعة ميشيغان التكنولوجية طريقة جديدة لتحويل مادة البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET)، المادة التي تشكل زجاجات المياه البلاستيكية ذات الاستخدام الواحد، إلى أقطاب كهربائية وفواصل.

يقول هو، على الرغم من غرابة الأمر، فإن هذه العملية هي “مخطط عملي لتخزين الطاقة الدائرية التي يمكنها الاستفادة من سلسلة توريد PET الحالية”.

ولصنع الأقطاب الكهربائية، قام الباحثون أولاً بتمزيق الزجاجات إلى حبيبات بحجم 2 مليمتر ثم أضافوا مسحوق هيدروكسيد الكالسيوم. قاموا بتسخين الخليط إلى 700 درجة مئوية في فراغ لمدة ثلاث ساعات وتركوا مع مسحوق كربون موصل للكهرباء. بعد إزالة الكالسيوم المتبقي وتنشيط الكربون (زيادة مساحة سطحه)، يمكن تشكيل المسحوق إلى طبقة رقيقة واستخدامه كقطب كهربائي.

كانت عملية إنتاج الفواصل أقل كثافة بكثير، حيث قام الفريق بتقطيع الزجاجات إلى مربعات بحجم ربع الولايات المتحدة تقريبًا واستخدموا إبرًا ساخنة لإحداث ثقوب فيها. لقد قاموا بتحسين نمط الثقوب لمرور التيار باستخدام برامج متخصصة. يقول هو إن مادة PET هي مادة جيدة للفاصل بسبب “قوتها الميكانيكية الممتازة، وثباتها الحراري العالي، وعزلها الممتاز”.

لم يُظهر المكثف الفائق الناتج، المليء بمحلول إلكتروليت، إمكانية استخدام مواد صديقة للبيئة والمالية فحسب، بل تفوق أيضًا بشكل طفيف على المواد التقليدية في مقياس واحد. تبلغ سعة جهاز PET 197.2 فاراد لكل جرام، بينما تبلغ سعة جهاز مماثل مزود بفاصل من الألياف الزجاجية سعة 190.3 فاراد لكل جرام.

بيض

انتظر، لا تعد شطيرة الإفطار الخاصة بك بعد! يمكنك تصميم مكثف فائق باستخدام أحد مكوناتك بدلاً من ذلك. في عام 2019، أظهر فريق من جامعة فرجينيا أنه يمكن تصنيع الأقطاب الكهربائية والإلكتروليتات والفواصل من أجزاء من جسم واحد، وهو البيضة.

أولاً، قامت المجموعة بشراء بيض الدجاج من متجر البقالة وفرزت أجزائه إلى قشر البيض وأغشية قشر البيض والبياض والصفار.

قاموا بطحن القشور إلى مسحوق وخلطوها مع بياض البيض وصفاره. تم تجفيف الملاط بالتجميد ثم رفعه إلى درجة حرارة 950 درجة مئوية لمدة ساعة حتى يتحلل. وبعد عملية التنظيف لإزالة الكالسيوم، أجرى الفريق معالجات حرارية وبوتاسيوم لتنشيط الكربون المتبقي. ثم قاموا بتنعيم الكربون المنشط المشتق من البيض وتحويله إلى طبقة لاستخدامها كأقطاب كهربائية. وأخيرًا، عن طريق خلط بياض وصفار البيض مع هيدروكسيد البوتاسيوم وتركه حتى يجف لعدة ساعات، شكلوا نوعًا من الإلكتروليت الهلامي.

ولصنع الفواصل، قامت المجموعة ببساطة بتنظيف أغشية قشر البيض. ونظرًا لأن الأغشية تحتوي بشكل طبيعي على ألياف متشابكة بحجم ميكرومتر، فإن بنيتها المتأصلة تسمح للأيونات بالتحرك عبرها تمامًا كما تفعل الفواصل المصنعة.

ومن المثير للاهتمام أن المكثف الفائق الناتج القائم على البيضة بالكامل كان مرنًا، حيث ظلت سعته ثابتة حتى عندما كان الجهاز ملتويًا أو مثنيًا. وبعد 5000 دورة، احتفظ المكثف الفائق بنسبة 80% من سعته الأصلية، وهي نسبة منخفضة مقارنة بالمكثفات الفائقة التجارية، ولكنها مساوية إلى حد ما للمكثفات الأخرى المصنوعة من مواد طبيعية.

القنب

قد يحب بعض الأشخاص الحشيش لأغراض طبية أكثر، لكنه يتمتع بإمكانية تخزين الطاقة أيضًا. وفي عام 2024، استخدمت مجموعة من جامعة أوندوكوز مايس في تركيا نباتات القنب والرمان لإنتاج الكربون المنشط للقطب الكهربائي.

بدأوا بتجفيف سيقان نباتات القنب في فرن تبلغ درجة حرارته 110 درجة مئوية لمدة يوم، ثم طحن السيقان إلى مسحوق. بعد ذلك، أضافوا حمض الكبريتيك والحرارة لإنشاء الفحم الحيوي، وأخيرًا، قاموا بتنشيط الفحم عن طريق تشبعه بهيدروكسيد البوتاسيوم وتسخينه مرة أخرى.

وبعد 2000 دورة، ظل المكثف الفائق المزود بأقطاب كهربائية مشتقة من مادة القنب محتفظًا بنسبة 98% من سعته الأصلية، وهي، على نحو مذهل، في نطاق تلك المصنوعة من مواد غير بيولوجية. كان للكربون نفسه كثافة طاقة تبلغ 65 واط/ساعة لكل كيلوغرام، وهو ما يتماشى أيضًا مع المكثفات الفائقة التجارية.

أسمنت

ربما يكون له تأثير على صناعة البناء والتشييد، ولكن هل يأتي الأسمنت إلى قطاع الطاقة أيضاً؟ في عام 2023، شاركت مجموعة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا كيفية تصميم الأقطاب الكهربائية من الماء والكربون النقي تقريبًا والأسمنت. ويقولون إن استخدام هذه المواد يخلق “تآزرًا” بين الأسمنت المحب للماء والكربون الكاره للماء، مما يساعد على قدرة الأقطاب الكهربائية على الاحتفاظ بطبقات من الأيونات عند شحن المكثف الفائق.

ولاختبار الفرضية، قام الفريق ببناء ثمانية أقطاب كهربائية باستخدام نسب مختلفة قليلاً من المكونات الثلاثة، وأنواع مختلفة من الكربون، وسمك قطب كهربائي مختلف. تم تشبع الأقطاب الكهربائية بكلوريد البوتاسيوم – المنحل بالكهرباء – وبدأت قياسات السعة.

ومن المثير للإعجاب أن المكثفات الأسمنتية الفائقة كانت قادرة على الحفاظ على السعة مع خسارة قليلة حتى بعد 10000 دورة. وحسب الباحثون أيضًا أن أحد مكثفاتهم الفائقة يمكنه تخزين حوالي 10 كيلووات في الساعة، وهو ما يكفي لخدمة حوالي ثلث الاستخدام اليومي للطاقة للفرد الأمريكي، على الرغم من أن هذا الرقم نظري فقط.