المكثفات الكهروكيميائية الفائقة.. طاقة متجددة مستمرة بتكلفة زهيدة

أكدت أن مصادرها متقطعة للظروف البيئية والمناخية.. د. نهى الحبشي ل اليوم :

كشفت باحثة في علوم وهندسة المواد النانوية، أن حجم السوق العالمي للمكثفات الكهروكيميائية الفائقة يُقدر بملايين الدولارات سنوياً ويتوقع ازدياده خاصة في مجالات الإلكترونيات والمواصلات.
وأشارت إلى أن المكثفات الكهروكيميائية الفائقة تستغرق وقتًا قصيرًا لشحنها وتفريغها من الشحنات، حيث يتراوح من عدة ثوان إلى دقائق بينما تستغرق البطاريات القابلة لإعادة الشحن وقتًا أطول يمتد لعدة ساعات.
وقالت الدكتورة نُهى عَلوي الحِبشي ل"اليوم": "يشهد العالم تزايدًا مستمرًا في احتياج الطاقة الكهربائية لتشغيل الكثير من التطبيقات اليومية مثل الأجهزة الإلكترونية المحمولة ووسائل المواصلات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة".
وأضافت: كما هو ملاحظ في الآونة الأخيرة، فإن استراتيجيات الاقتصاد في العديد من البلدان أصبحت تتجه نحو تقليل الاعتماد على طاقة الوقود الأحفوري من مشتقات البترول، وزيادة الاعتماد على الطاقة الكهربائية من المصادر المتجددة كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح وطاقة مياه السدود
الظروف البيئية والمناخية
تقول الدكتورة نهى الحبشي إن مصادر الطاقة المتجددة هي مصادر متقطعة لاعتمادها على الظروف البيئية والمناخية، لذلك فإن الاستفادة المستمرة منها يستلزم ربطها بأجهزة تخزين الطاقة كالبطاريات القابلة لإعادة الشحن وكالمكثفات الكهروكيميائية الفائقة. وعلى سبيل المثال تقوم المكثفات الكهروكيميائية الفائقة بتشغيل الساعات المعتمدة على الخلايا الشمسية خلال الليل بعد أن يتم شحنها خلال النهار، بالإضافة إلى أن تقرير شركة (BCC Research) يشير إلى أن حجم السوق العالمي للمكثفات الكهروكيميائية الفائقة يقدر بملايين الدولارات سنوياً ويتوقع ازدياده خاصة في مجالات الإلكترونيات والمواصلات".
وأضافت باحثة علوم وهندسة المواد النانوية: "من مميزات المكثفات الكهروكيميائية الفائقة أنها تستغرق وقتًا قصيرًا لشحنها وتفريغها من الشحنات يتراوح من عدة ثوان إلى دقائق بينما تستغرق البطاريات القابلة لإعادة الشحن وقتًا أطول يمتد لعدة ساعات، لذلك فإن لكل من المكثفات والبطاريات استخدامات مختلفة.
واسترسلت الدكتورة نهى: "فعلى سبيل المثال يتم استخدام المكثفات الكهروكيميائية الفائقة في تشغيل ضوء الكاميرات بسرعة وبشدة أكبر من البطاريات، حيث إن لحظة التقاط الصور أسرع من الزمن اللازم لكي تطلق البطارية طاقة كبيرة، بينما يتم استخدام البطاريات لتشغيل باقي أجزاء الكاميرات لفترة أطول من المكثفات".
وأوضحت: "ومثال آخر لتأكيد أهمية الزمن القصير لشحن وتفريغ المكثف يتضح في استخدام المكثفات الكهروكيميائية الفائقة في نظام المكابح في بعض السيارات والحافلات، حيث يقوم المكثف بتخزين الطاقة الكهربائية المحولة من طاقة احتكاك المكابح (في ثوان أو دقائق) وتفريغها أثناء عملية تسارع المركبة لتزيد قوة دفعها بشكل أسرع".
عملية الشحن المكثف
وتابعت "الحِبشي": "يتركب أي مكثف من قطبين كهربائيين (سطحين موصلين للكهرباء) ويفصل بينهما مادة عازلة (قد تكون صلبة أو سائلة)، وتتم عملية شحن المكثف عند توصيل المكثف بمصدر للطاقة الكهربائية، حيث يتم استقطاب المادة العازلة (أي فصل الشحنات الموجبة عن السالبة بدون انفصالها عن سطح المادة العازلة).
وأبانت: وبالتالي يتم سحب الشحنات الكهربائية من المصدر وتخزينها على قطبي المكثف اعتمادًا على مبدأ القوة الكهربائية الساكنة (قوة التجاذب بين الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة). بينما تتم عملية تفريغ المكثف عند توصيله بجهاز مستهلك للطاقة الكهربائية، حيث يتم إطلاق الشحنات الكهربائية على شكل تيار كهربائي لتقوم بتشغيل الجهاز الموصل بالمكثف.
وأضافت: يسمى هذا النوع الأساسي من المكثفات بالمكثفات الكهربائية الساكنة، أما المكثفات الكهروكيميائية الفائقة فهي تشبه المكثفات الكهربائية الساكنة في التركيب العام ولكن تختلف في نوع المواد المستخدمة في الأقطاب وفي المادة العازلة وتختلف في تفاصيل عمليتي الشحن والتفريغ، وبالتالي تختلف سعتها الكهربائية، ولكل منها استخدامات مختلفة حسب سعتها.
وواصلت حديثها: "تعبّر السعة الكهربائية عن مقدار الشحنات الكهربائية التي يمكن تخزينها في المكثف أثناء تطبيق وحدة فرق جهد كهربائي، وتقاس السعة الكهربائية للمكثفات بالفاراد".
وذكرت أن مقدار السعة الكهربائية للمكثفات الكهربائية الساكنة تتراوح بين مقياسي النانو فاراد والميللي فاراد، بينما تتراوح مقدارها في المكثفات الكهروكيميائية الفائقة بين مقياسي الميللي فاراد والكيلو فاراد وهي سعة ضخمة لذلك أطلق العلماء لهذا النوع من المكثفات وصف الفائقة".
وأشارت "الحِبشي" الى أن من العوامل المؤثرة في زيادة سعة المكثفات هو زيادة مساحة أقطابها الكهربائية، لذلك يهتم الباحثون بزيادة السعة عن طريق تحضير المواد النانوية المتميزة بمساحة سطح كبيرة واستخدامها كأقطاب كهربائية في المكثفات الكهروكيميائية الفائقة، وهذه أحد التطبيقات المهمة لعلوم وهندسة مواد النانو في مجال تخزين الطاقة".
تغليف هيدروكسيد النيكل
وقدمت الدكتورة نهى الحبشي ل "اليوم" خلاصة مترجمة لأحد أبحاثها العلمية بعنوان: "تغليف متطابق لهيدروكسيد النيكل ذي الشرائح النانومترية على ألياف الكربون كيميائيًا لاستخدامها في المكثفات الفائقة".
وأوضحت "الحِبشي": ان الهدف من هذا البحث هو تحسين أداء المكثفات الكهروكيميائية الفائقة بواسطة دراسة الشروط المفضلة لتحضير شرائح نانوية من هيدروكسيد النيكل واستخدامها كأقطاب كهربائية للمكثفات.
وقالت: "قمنا باستخدام عملية الترسيب الكيميائي المائي لتحضير شرائح نانوية من هيدروكسيد النيكل وترسيبها على ألياف مكيروية من الكربون كتغليف منتظم ومتماثل عند درجة حرارة الغرفة وبدون مادة لاصقة، وهذا مما يميز بحثنا عن بعض الأبحاث الأخرى".
واسترسلت "تم استخدامها كأقطاب كهربائية لمكثفات إلكتروكيميائية فائقة مع محلول إلكتروأيوني مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم. حيث أظهرت نتائج البحث أن السعة الكهربائية النوعية لهذه المكثفات تساوي 1416 فاراد/جرام عند تيار كهربائي مقداره 1 أمبير/جرام وهي أكبر بأكثر من خمسة أضعاف من السعة الكهربائية النوعية للمكثفات المصنوعة من شرائح هيدروكسيد النيكل النانوية المترسبة على ألياف الكربون الميكروية بواسطة عملية الصب والضغط الفيزيائي (275 فاراد/جرام عند 1 أمبير/جرام)".
وقالت: "هذا يظهر أهمية طريقة الترسيب الكيميائي المائي التي استخدمناها ولأول مرة مباشرة على ألياف الكربون الميكروية لتحضير هيدروكسيد النيكل النانوي، بخلاف الطرق الأخرى".
عينات الأقطاب الكهربائية
وتابعت "الحِبشي": "قمنا بتحضير عينتين من الأقطاب الكهربائية: العينة الأولى هي رقائق نانوية من هيدروكسيد النيكل متطابقة على ألياف كربونية بتركيب ثلاثي الأبعاد، العينة الثانية هي رقائق نانوية من هيدروكسيد النيكل مسطحة على ألياف كربونية بتركيب ثنائي الأبعاد".
وأضافت: "تم تحضير القطب الكهربائي المتطابق بواسطة خطوة واحدة من الترسيب الكيميائي المباشر على ألياف الكربون بواسطة تفاعل كيميائي بين كبريتات النيكل وهيدروكسيد الأمونيوم وفوق كبريتات البوتاسيوم في وسط مائي عند درجة حرارة الغرفة لمدة ساعتين".
بينما تم تحضير القطب الكهربائي المسطح عن طريق خطوتين: الأولى هي تجميع مسحوق هيدروكسيد النيكل المترسب والناتج من نفس التفاعل الكيميائي السابق، والخطوة الثانية هي مزجه بسائل الإيثانول لصبه ولصقه بالضغط الميكانيكي على ألياف الكربون وتجفيفه.
وواصلت شرحها: "وقمنا باستخدام تقنية حيود الأشعة السينية لتشخيص خصائص التركيب البلوري لهيدروكسيد النيكل الناتج، ثم استخدام تقنية حيود الإلكترون والمجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة لتأكيد هذه الخصائص ولرؤية أسطح البلورات السداسية لذرات هيدروكسيد النيكل المنتظمة ولقياس سمك الرقائق النانوية". أما لتصوير العينات، فاستخدمنا المجهر الإلكتروني الماسح ويمكن مشاهدة الغلاف المتطابق من رقائق هيدروكسيد النيكل النانوية حول ليف كربوني منفرد الناتج من الترسيب الكيميائي (العينة الأولى)، بينما تغطي رقائقُ هيدروكسيد النيكل النانوية أليافَ الكربون بشكل مسطح أي تملأ الفراغات بين الألياف الناتجة من الضغط الميكانيكي (العينة الثانية)".
وزادت "الحِبشي": "تم استخدام العينتين كأقطاب كهربائية مع محلول أيوني مائي من هيدروكسيد البوتاسيوم لصنع مكثفين فائقين، ثم تم تقييم الأداء الكهروكيميائي للمكثفين باستخدام جهاز توليد وتحليل كهروكيميائي".
وتبين أن السعة النوعية لقطب هيدروكسيد النيكل المتطابق على ألياف الكربون (العينة الأولى) أعلى خمس مرات من السعة النوعية لقطب هيدروكسيد النيكل المسطح على ألياف الكربون (العينة الثانية).
كما تبين بعد المزيد من التجارب والدراسات أن من أسباب هذا التحسن في السعة أن التركيب ثنائي الأبعاد للعينة الثانية يسمح لأيونات المحلول المائي أن تنتشر على سطح القطب الكهربائي فقط، بينما التركيب ثلاثي الأبعاد لقطب العينة الأولى يسمح لأيونات المحلول المائي أن تنتشر ليس فقط على سطح القطب الكهربائي بل وتتغلغل بين أليافه أيضاً مما يزيد من كمية الإلكترونات التي يمكن تخزينها في القطب الكهربائي أثناء شحن المكثف وبالتالي زيادة السعة.
ونتج هذا التركيب ثلاثي الأبعاد لقطب العينة الأولى عن طريقة الترسيب الكيميائي المائي التي استخدمناها مباشرة على ألياف الكربون الميكروية".
مرونة ميكانيكية غير خطرة
وقالت "الحِبشي": "إضافة لما سبق من أداء محسَّن للمكثفات الكهروكيميائية الفائقة المعتمدة على شرائح هيدروكسيد النيكل النانوية، فإنها تتميز بمرونتها الميكانيكية وعدم احتوائها على مواد خطرة أو باهظة الثمن.
وتتميز عملية الترسيب الكيميائي المائي ببساطتها وعدم احتياجها لمادة لاصقة أو درجات حرارة عالية أو ضغط عال أو مصدر طاقة خارجي لتفعيلها أو أدوات مكلفة لتحضيرها، بخلاف العديد من الطرق الأخرى المستخدمة في تحضير المواد النانوية.
فهي عبارة عن خطوة واحدة من تفاعل كيميائي في محلول مائي من كبريتات النيكل وهيدروكسيد الأمونيوم وفوق كبريتات البوتاسيوم لمدة ساعتين عند درجة حرارة الغرفة. تشجع هذه المميزات على إكمال البحث العلمي في هذا المسار للمساهمة في تحسين تخزين الطاقة الكهربائية باستخدام المواد النانوية".
وأكدت أنه قد تم توثيق ونشر بحثها العلمي خلال دراستها لنيل درجة الدكتوراة في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية بإشراف الدكتور حسام الشريف والذي حصلت بهذا البحث العلمي على المرتبة الثانية في مسابقة جائزة الألِكسو للإبداع والابتكار التقني للباحثين الشبان في الوطن العربي لعام 1437/2015، والمقدمة من المنظمة العربية للتربية والثقافة والعلوم.
وقالت "الحبشي": "أشجع مراكز الأبحاث والجامعات أن تضع مجال تخزين الطاقة مثل المكثفات الكهروكيميائية الفائقة ضمن أولويات مجالات البحث العلمي في خططها وبرامجها البحثية، حيث إنه من المجالات الواعدة والمهمة خاصة مع استخدام المواد النانوية لتطويره".
ودعت الشركات والجهات المعنية للاستثمار في هذا المجال وتمويل المبادرات التي تسعى لنقل نتائج الأبحاث العلمية وبراءات الاختراع إلى منتجات تجارية ومشاريع أعمال ريادية، حيث إن السوق العالمي يتطلب المزيد من المكثفات الكهروكيميائية الفائقة.
وختمت بقولها: "وبتضافر الجهود والتنسيق بين الباحثين ورجال الأعمال يتم تقليص الفجوة بين القطاع البحثي العلمي وبين القطاع الصناعي التجاري بواسطة دعم كل قطاع للآخر، للمساهمة في توطين التقنيات الحديثة وتنمية اقتصاد الوطن المتوجه نحو الاقتصاد المبني على المعرفة".
الطاقة الكهربائية مهمة لتشغيل الكثير من التطبيقات اليومية
توليد الطاقة من الخلايا الشمسية
مكثفات كهربائية