الابتكارات في البطاريات القابلة للتحلل البيولوجي للكترونات الملائمة للبيئة

وقد أدى الانتشار العالمي للأجهزة الالكترونية إلى تهدئة غير مسبوقة، ولكنه أحدث أيضا أزمة متصاعدة في النفايات الالكترونية )النفايات الإلكترونية( ووفقا للأمم المتحدة، يولد العالم أكثر من ٥٠ مليون طن من النفايات الالكترونية سنويا، مع كون البطاريات مكونا خطيرا للغاية، وتحتوي البطاريات التقليدية على معادن سامة مثل الرصاص والكادميوم والليثيوم، فضلا عن وجود مقاييس الاصطناعية الثابتة.

ما هي البطاريات القابلة للتحلل الحيوي؟

إن البطاريات القابلة للتحلل البيولوجي هي فئة من أجهزة تخزين الطاقة التي تم تصميمها لتنقية العمليات البيولوجية الطبيعية - العمل المجهري، أو التحلل الهيدرولي، أو التعرض لمنتجات الإنزيمات الثانوية غير الضارة مثل ثاني أكسيد الكربون، والمياه، والكتلة الأحيائية، وخلافا للبطاريات التقليدية، التي غالبا ما تنتهي في مدافن القمامة أو المبردات، والبدائل القابلة للتحلل الأحيائي مصممة من البداية لتقليل إلى أدنى حد من الثبات البيئية.

ومن المهم التمييز بين البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي والبطاريات " القائمة على أساس بيولوجي " ، التي يمكن أن تستمد من مصادر متجددة ولكنها لا تزال غير قابلة للتحلل، ويجب أن تستوفي البطاريات الحقيقية القابلة للتحلل الأحيائي المعايير المعمول بها لتفككها والسمية الإيكولوجية، مثل تلك التي تحددها شركة ASTM D6400 أو EN 13432، والهدف هو إنشاء مصدر للطاقة يؤدي وظائفه بصورة موثوقة خلال فترات التشغيل المعتزمة.

كيف يعملون

ومبدأ التشغيل الأساسي للبطارية القابلة للتحلل الأحيائي مطابق لمبدأ أي خلية كهروكيميائية: فالطاقة الكيميائية تتحول إلى طاقة كهربائية من خلال ردود فعل على الأنهار والثدي، بينما تنتقل الأيونيات من خلال مادة الكهروليكية، ويكمن الفرق تماما في المواد المختارة، وبالنسبة للألمانيوم، فإن المواد مثل المغنيزيوم أو الزنك أو الحديد تستخدم غالباً لأنها ذات سمة مأمونة.

الابتكارات الحديثة في المواد والتصميم

وقد أحرز تقدم كبير في تصميم مواد للبطاريات القابلة للتحلل الأحيائي، إذ ينتقل الباحثون إلى ما هو أبعد من مظاهرات إثبات المفاهيم لإنشاء أجهزة ذات كثافة طاقة قابلة للاستخدام وملامح ثابتة للتصريف، وتبرز الفروع التالية أكثر الفئات واعدة ونُهج التصميم.

Electrolytes

وتُعدّ البطاريات الكهربائية التقليدية في بطاريات الليثيوم - الأيون سائلاً عضوياً قابلاً للاشتعال ويُحدِث مخاطر حريق ويستمر في البيئة، وتُستخدم بدائل قابلة للتحلل الأحيائي جزيئات طبيعية مثل ريبوفلفين، وخامات، ومركبات قائمة على الحمضيات السائلة، فمثلاً، قام فريق في جامعة ستوتغارت بتطوير ملوث مائي مائي باستخدام أملاح الفولية من الفول الصوديوم من الأحماذية العضوية

Biopolymer Electrodes and Binders

Electrodes are the heart of any battery, and their composition heavily influences degradation. Researchers are replace synthetic polymer binders (such as polyvinylidene fluoride) with natural alternatives like cellulose, chitosan (derived from shellfish missiles), and polylactic acid (PLA). Cellose-based electrodes, often fabricated from bacterial nanoceulose

التعبئة والفصل على نحو ملائم للتكامل

ويجب أن يحمي التموين الخارجي للبطارية القابلة للتحلل البيولوجي المكونات الداخلية أثناء الاستخدام ثم ينهار بسرعة بعد ذلك، وتشمل الابتكارات التموينات التي تُصنع من أفلام قائمة على النجوم، وأجهزة البوليهيدروكياكلات، وحتى المواد القابلة للأكل مثل الغيلان، وأجهزة التخدير التي تستخدمها الخلايا الميكانيكية التي تُستخدم في الخانات القصيرة التي تُصنع من الخلايا الكهروسفونية.

التحديات والحواجز التقنية

وعلى الرغم من الوعد، تواجه البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي حاليا عدة عقبات يجب التغلب عليها قبل أن تتمكن من التنافس مع مصادر الطاقة التقليدية في الإلكترونيات الرئيسية.

الحد من كثافة الطاقة

ولا تزال كثافة الطاقة في البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي (المقاسة بساعة وقود لكل كيلوغرام أو لتر) أقل بكثير من كثافة البطاريات العضوية التي تستخدمها الليثيوم أو خلايا الكالسينول، حيث أن المواد العضوية لها في جوهرها قدرة إلكترونية أقل وإمكانات صغرية من حيث الثغرة في الكثافة مقارنة بأكسيد المعادن، وعلى سبيل المثال، فإن بطارية الزنكية ذات القدرة الأحيائية العالية التحلل قد تحقق 150 كيلو متراً.

الاستقرار والحياة الشولفية

ونظراً لأن المواد القابلة للتحلل الأحيائي مصممة لتنخفض، فإنها أقل استقراراً من النظراء غير القابلين للتحلل، حيث أن الهضم، وارتفاع درجات الحرارة، والنشاط المجهري يمكن أن يؤدي إلى تدهور سابق لأوانه، ويقلل من عمر الرف من سنوات إلى أشهر، ويعالجها المهندسون من خلال تقنيات الطيف: تطويع البطارية ذات طبقة رقيقة من الشمع أو البوليمر البطيء الذي يحميه.

التحكم في معدل التحلل

ومن شأن وجود بطارية مثالية قابلة للتحلل الأحيائي أن يتدهور بسرعة بعد التخلص منها، ولكن يظل سليماً أثناء الاستخدام، وإن كان تحقيق هذا التوازن صعباً، وإذا كان التدهور سريع جداً، فإن البطارية تفشل في وقت مبكر؛ وإذا كانت بطيئة جداً، فإنها تصبح نفايات مستمرة، فالباحثون يتلاعبون بمعدلات التدهور عن طريق تعديل طول طول التصاميم الأحيائي، والكثافة المتقاطعة للشبكات المتعددة المربعات، وإدراج نموذج مضافات الجاهزة.

Scalability and Cost

ومعظم عناصر البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي تنتج حاليا على نطاق مختبري، ولم تُفض عمليات التصنيع إلى الإنتاج الجماعي على النحو الأمثل، إذ يمكن أن تكون المواد الطبيعية أكثر تكلفة من البدائل التي تولدها النفط بسبب تكاليف التجهيز والتنقية، ومن ذلك مثلا أن الخلية البكتيرية تتطلب التخمير وخطوات تنقية في أسفل التلال تضيف إلى السعر النهائي، ومع ذلك، يتوقع أن تؤدي وفورات الحجم إلى خفض التكاليف.

الأثر على الإلكترونيات الملائمة للبيئة

ويمكن أن يؤدي النجاح في إدماج البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي في المنتجات الإلكترونية إلى تحويل صناعات متعددة عن طريق التمكين من التخلص من الأجهزة غير الضارة بيئياً بحق.

المزيجات الطبية والقابلات للزراعة

كما أن البطاريات القابلة للتحلل البيولوجي تناشد بشكل خاص الزرع الطبي المؤقت الذي لا يتطلب إزالة جراحية ثانية، ومن الأمثلة على ذلك نظم معالجة المخدرات من أجل المعالجة الكيماوية المحلية، وأجهزة التسارع التي يمكن تحللها بيولوجياً، وأجهزة التحفيز التي تستخدمها أجهزة التحلل الوبائي، وأجهزة التطهير التي تستخدمها أجهزة التحلل الاصطناعي، وأجهزة التحلل التي تستخدمها أجهزة الاختزال التي تستخدم في عام 20

Environmental Sensors and Smart Agriculture

وكثيرا ما تعتمد شبكات الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية المنتشرة في الغابات أو المحيطات أو الأراضي الزراعية على البطاريات التي يصعب استرجاعها، وتوفر البطاريات القابلة للتحلل البيولوجي حلا: إذ يمكنها أن تتحكم في رطوبة التربة، أو أجهزة استشعار نوعية التربة، أو علامات تتبع الحياة البرية، ثم تتدهور بشكل غير مؤذي، وتلغي الحاجة إلى جمعها.

Un-Use Electronics and Smart Packaging

فالأكليل الإلكترونية ذات الاستخدام الوحيد، مثل العلامات الذكية، ومراقبي الامتثال للأدوية، والتغليف التفاعلي - تشكل جزءاً متزايداً بسرعة من النفايات الإلكترونية، ويمكن أن تجعل البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي هذه المنتجات مركبة تماماً، وعلى سبيل المثال، يمكن للبطارية التي تُدمج في بطاقة عبوة غذائية أن تُستخدم كمؤشر للتكاثر ثم يتم التخلص منها مع العبوة في مرفق للتثبيت، وهناك شركات عديدة تنتظر بالفعل تسويق مفاهيم مركب.

المواد الإلكترونية وأجهزة النقل

أما بالنسبة للأجهزة العالية الاستهلاك مثل الهواتف الذكية والحواسيب المحمولة، فإن البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي ليست ممكنة بعد بسبب كثافة الطاقة ومتطلبات الطاقة، غير أنها قد تجد استخداما في الطاقة الإضافية للحالات التي لاسلكية، والبطاريات الذكية، وغيرها من المناطق المحيطة بالقوى المنخفضة، وفي الأجل الطويل، يمكن أن تؤدي البحوث في مواد الفرز العضوي ذات التأثير العالي، وتحسين التطبيقات الكهربائية

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

ويتقدم ميدان البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي بسرعة، حيث يجري استكشاف عدة طرق مثيرة.

علم النانو والعقيدات 3D

(أ) المواد التي تستخدم كبائن مهينة أو أكسدة معدنية مشتعلة - يمكن أن تحسن بشكل كبير مساحة السطح ونقل الشحنات؛ وفي حين أن الرسم البياني نفسه غير قابل للتحلل الأحيائي، يقوم الباحثون بالتحقيق في المركب المختلط مع النانوفوس الخلوي الذي يجمع بين السلوكيات العالية والتحلل الأحيائي.

المكثفات الهجينة والبيولوجية

وهناك بديل عن البطاريات الكاملة هو المكثفات الخارقة القابلة للتحلل الأحيائي، التي تخزن الطاقة الكهربائية بدلا من المواد الكيميائية، وهي توفر كثافة طاقة أعلى وحياة أطول دورة، ولكنها أقل كثافة للطاقة، إذ أن الجمع بين جهاز كيميائي قابل للتحلل الأحيائي وبطارية قابلة للتحلل البيولوجي في مجموعة واحدة يمكن أن ينتج جهازا هجينا مناسبا لأجهزة تتطلب انفجارات من الطاقة العالية إلى جانب قذائف ثابتة من المواد التي تعمل كجهاز لتخزين الطاقة.

بطاريات الدول الصلبة القابلة للتحلل البيولوجي

وقد تكون البطاريات ذات الصبغة الصلبة، التي تحل محل الكهربية السائلة ذات الكهروليت الصلب، أكثر أمانا واستقرارا في جوهرها، ويعمل الباحثون الآن على استخدام الكهرباء الصلبة التي يتم صنعها من البوليكروفيليكات، مثل البوليكالبروكلكتون وأكسيد البوليثيلين المختلط بأملاح طبيعية.

التكامل مع تسخير الطاقة

ولتوسيع نطاق تشغيل مصادر الطاقة القابلة للتحلل الأحيائي، يقترن الباحثون بنظم لجلب الطاقة مثل الخلايا الشمسية المرنة أو المولدات الكهربائية الحرارية، ويصمم بعد ذلك كل مصادر الطاقة الكهربائية والإلكترونيات والبطارية بحيث تكون قابلة للتحلل الأحيائي، وعلى سبيل المثال يمكن الجمع بين جهاز استشعار بيئي ذاتي القدرة الذاتية وبين خلية شمسية قابلة للتحلل الأحيائي، ونظام بيولوجي قابل للتحلل البيولوجي.

الاعتبارات المتعلقة بدراجات الحياة البيئية والاقتصادية

وفي حين أن البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي تعد بتقليل النفايات، فإن أثرها البيئي الكامل يجب أن يقيَّم من خلال تحليل دورة الحياة، وكثيراً ما يتطلب إنتاج البوليمرات الأحيائية مدخلات زراعية (البر، والماء، والأسمدة) وتجهيزها على نحو مكثف للطاقة، ويمكن أن تكون البصمة الكربونية لبعض البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي أعلى من تلك التي تُستخدم فيها البطاريات التقليدية إذا ما استندت الصناعة إلى أُطرُ على الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري أو ما إذا كانت البيئة المزروعة الأحيائية هي في ذلك.

خاتمة

وتشكل البطاريات القابلة للتحلل البيولوجي خطوة أساسية نحو استخدام تكنولوجيات إلكترونية مستدامة حقاً، وباستبدال المواد السمية والمستمرة بالبوليمرات الطبيعية، والكهرباء العضوية، والفلزات الآمنة، يخلق الباحثون مصادر للطاقة يمكن أن تعمل بفعالية ثم تختفي دون أثر، ويجري التصدي للتحديات الراهنة - الكثافة، والاستقرار، والتكاليف، ومكافحة التحلل - من خلال علوم المواد المبتكرة، وعلم النانو، والتصميماتيكي.