إلكتروليت بلا هالوجين يحافظ على تفاعل اليود رباعي الإلكترونات

أتاح تصميم جديد لإلكتروليت مائي لليود تخزين الشحنة عبر تفاعل عكوس ينقل أربعة إلكترونات، من دون الاعتماد على أملاح الكلوريد أو البروميد عالية التركيز. احتفظت خلايا زنك ويود مختبرية بـ96% من سعتها بعد 1000 دورة عند أمبير واحد لكل غرام، وبـ94% بعد 2000 دورة عند ضعف هذا المعدل.

لماذا يتوقف اليود عادة عند إلكترونين؟

تجذب بطاريات المعادن واليود المائية اهتمام التخزين الثابت لأن إلكتروليتها أقل قابلية للاشتعال من السوائل العضوية الشائعة، ولأن موادها الفعالة قد تكون وفيرة. تحول معظم التصاميم اليود بين أيون اليوديد I⁻ واليود المتعادل I⁰. أما الوصول إلى الحالة I⁺ فيضيف إلكترونين إلى التفاعل ويرفع السعة والجهد.

المشكلة أن I⁺ شديد التفاعل مع الماء. ثبّتته تصاميم سابقة عبر إلكتروليتات عالية التركيز تحتوي على الكلوريد أو البروميد لتكوين مركبات بين هالوجينية. لكن هذه الخلطات قد تكون أكالة وغنية بالأملاح ومكلفة في التصنيع.

ثلاث وظائف كيميائية بديلة

جمع الفريق أنيونا منظما للماء، وأنيونا قطبيا، وجزيئا محبا للنواة. ينشئ الأنيون القطبي منطقة فقيرة بالماء وغنية بالأنيونات قرب القطب. ويغير الأنيون المنظم للماء طريقة ارتباط الماء بالجزيء المحب للنواة، فتزداد قدرة هذا الجزيء على تثبيت I⁺. اختبر الباحثون أربعة جزيئات من هذا النوع، بينها اليوريا والنيكوتيناميد.

دعمت قياسات الرنين المغناطيسي النووي ومطيافية رامان والاختبارات الكهروكيميائية والمحاكاة هذه الآلية. ظهر التحويل العكوس عندما اجتمعت الوظائف الثلاث، وعمل الإطار في خلايا الزنك واليود والألومنيوم واليود.

الرقم الأهم: 422 ملي أمبير ساعة لكل غرام. هذه السعة النظرية لليود عندما ينقل التفاعل أربعة إلكترونات بدلا من إلكترونين.

ما الذي أثبتته اختبارات الخلايا؟

احتفظت خلايا الزنك واليود القرصية بـ96% من السعة بعد 1000 دورة عند 1 أمبير لكل غرام، وبـ94% بعد 2000 دورة عند 2 أمبير لكل غرام. واستمر السلوك رباعي الإلكترونات عند تحميل يود وصل إلى 12.2 مليغرام لكل سنتيمتر مربع. كما اختبر الفريق مجمعات تيار مختلفة وخلايا كيسية، ما يبين أن الكيمياء لا تعتمد على ترتيب مخبري واحد.

غطت تقنية جديدة سابقا خلية زنك ويود حبست مركبات اليود المتحركة داخل قفص بوليمري. استهدف ذلك العمل انتقال مركبات اليود والعمر الطويل، بينما تعالج الدراسة الجديدة تثبيت حالة الأكسدة الأعلى من دون أملاح هالوجينية مركزة. وتكمل أيضا بحثا استخدم فيه تعلم الآلة لاختيار مذيب لإلكتروليت بطارية صوديوم.

قبل أن نبالغ في النتيجة

ما الخطوة التالية؟

تحتاج الكيمياء إلى اختبار متكرر في خلايا أكبر بأقطاب واقعية السماكة وكمية محدودة من الإلكتروليت وسعة متوازنة للقطب السالب. كما يلزم قياس الأداء عبر درجات حرارة مختلفة وفترات خمول طويلة وبرامج شحن متغيرة.

إذا بقي التفاعل عكوسا تحت هذه القيود، فقد يجعل التخلص من أملاح الهالوجين المركزة تخزين اليود رباعي الإلكترونات أسهل في التوسع. أما النتيجة الأقوى حاليا فهي آلية كيميائية توضح أن ضبط بيئة الماء المحلية والارتباط الجزيئي يستطيع تثبيت I⁺ من دون الخلطة الأكالة التقليدية.