- ترجمة
في السنوات الاخيرةلقد سمعنا كثيرًا أن البشرية على وشك الحصول على بطاريات ستكون قادرة على تشغيل أجهزتنا لأسابيع، أو حتى أشهر، في حين تكون مدمجة للغاية وسريعة الشحن. لكن الأمور لا تزال موجودة. لماذا لم تظهر بعد بطاريات أكثر كفاءة وما هي التطورات الموجودة في العالم، اقرأ تحت الخفض.
واليوم، يقترب عدد من الشركات الناشئة من إنشاء بطاريات آمنة ومدمجة تبلغ تكاليف تخزين الطاقة فيها حوالي 100 دولار لكل كيلووات في الساعة. وهذا من شأنه أن يحل مشكلة إمدادات الطاقة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، وفي كثير من الحالات، التحول إلى مصادر الطاقة المتجددة، مع تقليل وزن وتكلفة المركبات الكهربائية في الوقت نفسه.
لكن كل هذه التطورات بطيئة للغاية في الوصول إلى المستويات التجارية، مما لا يسمح بتسريع التحول من المصادر الأحفورية إلى المصادر المتجددة. حتى إيلون ماسك، الذي يحب الوعود الجريئة، اضطر إلى الاعتراف بأن قسم السيارات لديه يعمل بشكل تدريجي على تحسين بطاريات الليثيوم أيون بدلاً من خلق تقنيات خارقة.
يعتقد العديد من المطورين أن البطاريات المستقبلية سيكون لها شكل وبنية وتركيب كيميائي مختلف تمامًا مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون، التي دفعت التقنيات الأخرى إلى الخروج من العديد من الأسواق خلال العقد الماضي.
يجادل مؤسس شركة SolidEnergy Systems، كيتشاو هو، الذي قضى عقدًا من الزمن في تطوير بطارية معدن الليثيوم (الأنود هو المعدن، وليس الجرافيت، كما هو الحال في بطاريات أيونات الليثيوم التقليدية)، بأن المشكلة الرئيسية في إنشاء تقنيات جديدة لتخزين الطاقة هي أنه عندما يكون أحد المعلمات يتحسن، والبعض الآخر يتدهور. بالإضافة إلى ذلك، يوجد اليوم العديد من التطورات التي يعلن مؤلفوها بصوت عالٍ تفوقهم بحيث يصعب على الشركات الناشئة إقناع المستثمرين المحتملين وجذب الأموال الكافية لمواصلة البحث.
الشاحن الحيوي
ويأتي هذا الجهاز على شكل وعاء نباتات خاص يستخدم طاقة التمثيل الضوئي لشحن الأجهزة المحمولة. علاوة على ذلك، فهي متاحة للبيع بالفعل. ويمكن للجهاز توفير دورتين إلى ثلاث جلسات شحن يوميًا بجهد 3.5 فولت وتيار 0.5 أمبير. وتتفاعل المواد العضوية الموجودة في الوعاء مع الماء ومنتجات التفاعل الضوئي، مما ينتج عنه طاقة كافية لشحن الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية.
تخيل بساتين كاملة تُزرع فيها كل شجرة فوق مثل هذا الجهاز، فقط أكبر وأقوى. سيؤدي ذلك إلى توفير الطاقة "المجانية" للمنازل والإرادة المحيطة سبب جيدلحماية الغابات من إزالة الغابات.
البطاريات ذات الموصلات النانوية الذهبية
طورت جامعة كاليفورنيا في إيرفين بطاريات موصلة نانوية يمكنها تحمل أكثر من 200 ألف دورة شحن لمدة ثلاثة أشهر دون أي علامات على تدهور قدرتها. وهذا سيجعل من الممكن زيادة دورة حياة أنظمة الطاقة بشكل كبير أنظمة مهمةوالالكترونيات الاستهلاكية.
الموصلات النانوية التي هي أرق بآلاف المرات من شعرة الإنسان تبشر بمستقبل مشرق. وفي تطويرهم، استخدم العلماء أسلاكًا ذهبية مغلفة بثاني أكسيد المنغنيز، والتي تم وضعها في إلكتروليت يشبه الهلام. وهذا يمنع تدمير الموصلات النانوية أثناء كل دورة شحن.
بطاريات المغنيسيوم
تعمل شركة تويوتا على استخدام المغنيسيوم في البطاريات. سيسمح ذلك بإنشاء وحدات صغيرة ومعبأة بإحكام ولا تتطلب أغلفة واقية. وعلى المدى الطويل، قد تكون هذه البطاريات أرخص وأكثر إحكاما من بطاريات الليثيوم أيون. صحيح أن هذا لن يحدث قريباً. اذا حدث ذلك.
بطاريات الحالة الصلبة
تستخدم بطاريات الليثيوم أيون التقليدية إلكتروليتًا سائلًا قابلاً للاشتعال كوسيلة لنقل الجزيئات المشحونة بين الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي تدريجيًا إلى تدهور البطارية.هذا العيب محروم الحالة الصلبةبطاريات الليثيوم أيون، والتي تعتبر من أكثر البطاريات الواعدة اليوم. وعلى وجه الخصوص، نشر مطورو شركة تويوتا ورقة علمية وصفوا فيها تجاربهم مع الموصلات فائقة التأين للكبريتيد. إذا نجحوا، فسوف يقومون بإنشاء بطاريات على مستوى المكثفات الفائقة - سيتم شحنها بالكامل أو تفريغها في سبع دقائق فقط. مثالية للسيارات الكهربائية. وبفضل هيكل الحالة الصلبة، ستكون هذه البطاريات أكثر استقرارًا وأمانًا من بطاريات الليثيوم أيون الحديثة. كما سيتم توسيع نطاق درجة حرارة التشغيل الخاصة بها - من -30 إلى +100 درجة مئوية.
كما قام علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بالتعاون مع سامسونج، بتطوير بطاريات الحالة الصلبة التي تتفوق في الأداء على بطاريات الليثيوم أيون الحديثة. فهي أكثر أمانًا، وكثافة طاقتها أعلى بنسبة 20-30%، ويمكنها تحمل مئات الآلاف من دورات إعادة الشحن. وهم ليسوا خطر الحريق سواء.
خلايا الوقود
تحسين خلايا الوقوديمكن أن يؤدي بنا إلى شحن الهواتف الذكية مرة واحدة في الأسبوع، وتحليق الطائرات بدون طيار لمدة تزيد عن ساعة. علماء من جامعة بوهانج للعلوم والتكنولوجيا ( كوريا الجنوبية) قاموا بإنشاء خلية قاموا فيها بدمج عناصر مسامية من الفولاذ المقاوم للصدأ مع إلكتروليت ذو غشاء رقيق وأقطاب كهربائية ذات سعة حرارية قليلة. وتبين أن التصميم أكثر موثوقية من بطاريات الليثيوم أيون ويستمر لفترة أطول. ومن الممكن أن يتم تنفيذ التطوير في المنتجات التجارية، وخاصة في هواتف سامسونج الذكية.بطاريات السيارات الجرافين
يعتقد العديد من الخبراء أن المستقبل يكمن في بطاريات الجرافين. وقامت شركة Graphenano بتطوير بطارية Grabat، التي يمكنها توفير مدى للسيارة الكهربائية يصل إلى 800 كيلومتر. يدعي المطورون أن البطارية يتم شحنها في دقائق معدودة فقط، وأن سرعة الشحن/التفريغ أعلى بـ 33 مرة من بطاريات الليثيوم أيون. يعد التفريغ السريع مهمًا بشكل خاص لضمان ديناميكيات التسارع العالية للسيارات الكهربائية.
قدرة Grabat 2.3 فولت هائلة: حوالي 1000 واط/كجم. وللمقارنة، فإن أفضل الأمثلة على بطاريات الليثيوم أيون هي عند مستوى 180 وات/كجم.
المكثفات الفائقة الدقيقة المقطوعة بالليزر
أحرز العلماء في جامعة رايس تقدمًا في تطوير المكثفات الفائقة الدقيقة. أحد العيوب الرئيسية لهذه التكنولوجيا هو ارتفاع تكلفة الإنتاج، ولكن استخدام الليزر يمكن أن يؤدي إلى انخفاض كبير في التكلفة. يتم قطع أقطاب المكثفات بالليزر من لوح بلاستيكي، مما يقلل بشكل كبير من كثافة اليد العاملة في الإنتاج. ويمكن لهذه البطاريات أن تشحن أسرع بخمسين مرة من بطاريات أيونات الليثيوم، وتفرغ أبطأ من المكثفات الفائقة المستخدمة اليوم. بالإضافة إلى ذلك، فهي موثوقة أثناء التجارب، واستمرت في العمل حتى بعد 10 آلاف انحناء.
بطاريات أيون الصوديوم
قامت مجموعة من الباحثين والشركات الفرنسية RS2E بتطوير بطاريات كمبيوتر محمول أيون الصوديوم التي تستخدم الملح العادي. يتم الحفاظ على سرية مبدأ التشغيل وعملية التصنيع. وتبلغ سعة البطارية التي يبلغ قطرها 6.5 سم 90 وات/كجم، وهي قابلة للمقارنة ببطاريات الليثيوم أيون المنتجة بكميات كبيرة، ولكنها لا يمكنها تحمل أكثر من ألفي دورة شحن.
بطاريات الرغوة
هناك اتجاه آخر في تطوير تقنيات تخزين الطاقة وهو إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد. على وجه الخصوص، ابتكر بريتو بطارية تعتمد على ركيزة من الرغوة المعدنية (النحاس). لا يوجد إلكتروليت قابل للاشتعال، مثل هذه البطارية لديها مورد طويل، ويتم شحنها بشكل أسرع، وكثافتها أعلى بخمس مرات، كما أنها أرخص وأصغر حجمًا البطاريات الحديثة. ويأمل بريتو أن ينفذ تطويره أولاً في مجال الإلكترونيات القابلة للارتداء، لكنه يرى أن التكنولوجيا يمكن توزيعها على نطاق أوسع: بحيث تستخدم في الهواتف الذكية وحتى في السيارات.
قدرة عالية وشحن سريع "نانو صفار"
تطور آخر لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هو الجسيمات النانوية للبطاريات: قشرة مجوفة من ثاني أكسيد التيتانيوم، بداخلها (مثل صفار البيضة) يوجد حشو من مسحوق الألومنيوم وحمض الكبريتيك وأوكسي كبريتات التيتانيوم. قد تختلف أبعاد الحشو بغض النظر عن الغلاف. لقد أتاح استخدام مثل هذه الجسيمات مضاعفة سعة البطاريات الحديثة ومدتها ثلاث مرات مشحونة بالكاملانخفض إلى ست دقائق. كما انخفض معدل تدهور البطارية. إن ما يميز الكعكة هو انخفاض تكلفة الإنتاج وسهولة القياس.
بطارية ألومنيوم أيون سريعة الشحن
طورت جامعة ستانفورد بطارية أيون الألومنيوم التي يتم شحنها بالكامل خلال دقيقة واحدة تقريبًا. وفي الوقت نفسه، تتمتع البطارية نفسها ببعض المرونة. المشكلة الأساسية- السعة النوعية تعادل نصف قدرة بطاريات الليثيوم أيون تقريبًا. على الرغم من أنه نظرًا لسرعة الشحن، فإن هذا ليس بالغ الأهمية.
بطارية ألفا - أسبوعين على الماء
إذا تمكنت شركة Fuji Pigment من تحسين بطارية Alfa المصنوعة من الألومنيوم والهواء، فسوف نشهد ظهور ناقلات طاقة تبلغ سعتها 40 مرة أكبر من قدرة حاملات الليثيوم أيون. علاوة على ذلك، فإن البطارية قابلة لإعادة الشحن إضافة الماء، سادة أو مملحة. وفقًا للمطورين، سيكون Alfa قادرًا على العمل لمدة تصل إلى أسبوعين بشحنة واحدة. ربما تظهر هذه البطاريات لأول مرة في السيارات الكهربائية. تخيل محطة وقود حيث تتوقف للحصول على الماء.البطاريات التي يمكن طيها مثل الورق
uBeam - الشحن عن طريق الجو
uBeam هو مفهوم مثير للاهتمام لنقل الطاقة إلى جهاز محمولباستخدام الموجات فوق الصوتية. يصدر الشاحن موجات فوق صوتية يلتقطها جهاز الاستقبال الموجود على الجهاز ويحولها إلى كهرباء. على ما يبدو، يعتمد الاختراع على التأثير الكهرضغطي: يتردد جهاز الاستقبال تحت تأثير الموجات فوق الصوتية، وتولد اهتزازاته الطاقة.
واتبع علماء من جامعة كوين ماري في لندن مسارا مماثلا. لقد قاموا بإنشاء نموذج أولي لهاتف ذكي يتم شحنه ببساطة بسبب الضوضاء الخارجية، بما في ذلك أصوات الناس.
StoreDot
تم تطوير شاحن StoreDot بواسطة شركة ناشئة انبثقت من جامعة تل أبيب. تمكنت عينة معملية من شحن بطارية هاتف Samsung Galaxy 4 خلال 30 ثانية. ويذكر أن الجهاز يعتمد على أشباه الموصلات العضوية المصنوعة من الببتيدات. في نهاية عام 2017، من المقرر طرح بطارية الجيب القادرة على شحن الهواتف الذكية في خمس دقائق للبيع.
لوحة شمسية شفافة
طورت شركة Alcatel نموذجًا أوليًا للوحة شمسية شفافة يمكن وضعها أعلى الشاشة بحيث يمكن شحن الهاتف بمجرد وضعه في الشمس. وبطبيعة الحال، فإن المفهوم ليس مثاليا من حيث زوايا المشاهدة وقوة الشحن. لكن الفكرة جميلة .
وبعد عام، في عام 2014، أعلنت شركة تاغ هوير نسخة جديدةمن هاتفه الاستعراضي Tag Heuer Meridiist Infinite، والذي يجب أن يحتوي على طبقة شفافة بين الزجاج الخارجي والشاشة نفسها لوحة شمسية. صحيح أنه من غير الواضح ما إذا كان الأمر قد وصل إلى مرحلة الإنتاج.
العلامات: إضافة العلامات
يعتقد الكثيرون أن مستقبل صناعة السيارات يكمن في السيارات الكهربائية. هناك فواتير في الخارج تنص على أن بعض السيارات المباعة سنويًا يجب أن تكون إما هجينة أو تعمل بالكهرباء، لذلك يتم استثمار الأموال ليس فقط في الإعلان عن مثل هذه السيارات، ولكن أيضًا في بناء محطات الوقود.
ومع ذلك، لا يزال الكثير من الناس ينتظرون أن تصبح السيارات الكهربائية منافسًا حقيقيًا. السيارات التقليدية. أو ربما سيحدث هذا عندما ينخفض وقت الشحن ويزداد عمر البطارية؟ ربما تساعد بطاريات الجرافين البشرية في ذلك.
ما هو الجرافين؟
مادة ثورية من الجيل الجديد، الأخف والأقوى والأكثر توصيلًا للكهرباء - كل هذا يتعلق بالجرافين، وهو ليس أكثر من شبكة كربون ثنائية الأبعاد بسمك ذرة واحدة. حصل مخترع الجرافين كونستانتين نوفوسيلوف على جائزة نوبل. عادة، يمر وقت طويل بين الاكتشاف وبداية الاستخدام العملي لهذا الاكتشاف، يصل أحيانًا إلى عقود، لكن الجرافين لم ينال مثل هذا المصير. ربما يرجع ذلك إلى حقيقة أن Novoselov و Game لم يخفيا تكنولوجيا إنتاجهما.
لم يخبروا العالم كله عنها فحسب، بل أظهروها أيضًا: يوجد مقطع فيديو على موقع YouTube يتحدث فيه كونستانتين نوفوسيلوف بالتفصيل عن هذه التكنولوجيا. لذلك، ربما سنتمكن قريبًا من صنع بطاريات الجرافين بأيدينا.
التطورات
كانت هناك محاولات لاستخدام الجرافين في جميع مجالات العلوم تقريبًا. تمت تجربته في تعمل بالطاقة الشمسيةوسماعات الرأس والحالات، وحتى حاول علاج السرطان. ومع ذلك، على هذه اللحظةواحدة من أكثر الأشياء الواعدة والضرورية للبشرية هي بطارية الجرافين. دعونا نتذكر أنه مع ميزة لا يمكن إنكارها مثل رخيصة و الوقود الصديق للبيئة، السيارات الكهربائية لديها عيب خطير- صغيرة نسبيا السرعة القصوىواحتياطي طاقة لا يزيد عن ثلاثمائة كيلومتر.
الحل لمشكلة القرن
بطارية الجرافينيعمل على نفس مبدأ الرصاص مع المنحل بالكهرباء القلوية أو الحمضية. هذا المبدأ هو تفاعل كهروكيميائي. يشبه تصميم بطارية الجرافين بطارية الليثيوم أيون ذات المنحل بالكهرباء الصلب، حيث يكون الكاثود عبارة عن فحم الكوك، وهو قريب في تكوينه من الكربون النقي.
ومع ذلك، هناك بالفعل اتجاهان مختلفان تمامًا بين المهندسين الذين يقومون بتطوير بطاريات الجرافين. في الولايات المتحدة الأمريكية، اقترح العلماء صنع الكاثود من صفائح الجرافين والسيليكون المتداخلة مع بعضها البعض، والأنود من كوبالت الليثيوم الكلاسيكي. لقد وجد المهندسون الروس حلاً آخر. يمكن استبدال ملح الليثيوم السام والمكلف بأكسيد المغنيسيوم الأكثر صداقة للبيئة والأرخص. وتزداد سعة البطارية في كل الأحوال بسبب زيادة معدل مرور الأيونات من قطب كهربائي إلى آخر. يتم تحقيق ذلك بسبب حقيقة وجود الجرافين تصنيف عاليالنفاذية الكهربائية والقدرة على تراكم الشحنات الكهربائية.
تنقسم آراء العلماء فيما يتعلق بالابتكار: يزعم المهندسون الروس أن بطاريات الجرافين تتمتع بقدرة تعادل ضعف بطاريات الليثيوم أيون، بينما يدعي زملاؤهم الأجانب عشرة.
دخلت بطاريات الجرافين حيز الإنتاج الضخم في عام 2015. على سبيل المثال، تقوم الشركة الإسبانية Graphenano بذلك. وبحسب الشركة المصنعة، فإن استخدام هذه البطاريات في السيارات الكهربائية في المواقع اللوجستية يظهر القدرات العملية الحقيقية للبطارية ذات كاثود الجرافين. يستغرق الشحن بالكامل ثماني دقائق فقط. يمكن لبطاريات الجرافين أيضًا زيادة نطاقها الأقصى. شحن 1000 كيلومتر بدلاً من ثلاثمائة هو ما تريد شركة Graphenano تقديمه للمستهلك.
اسبانيا والصين
وتتعاون شركة Chint الصينية مع شركة Graphenano، التي اشترت حصة 10٪ في الشركة الإسبانية مقابل 18 مليون يورو. سيتم استخدام الأموال المشتركة لبناء مصنع يضم عشرين خط إنتاج. وقد تلقى المشروع بالفعل حوالي 30 مليون استثمار، سيتم استثمارها في تركيب المعدات وتوظيف الموظفين. ووفقا للخطة الأصلية، كان من المفترض أن يبدأ المصنع في إنتاج حوالي 80 مليون بطارية. في المرحلة الأولية، يجب أن تصبح الصين السوق الرئيسي، وبعد ذلك تم التخطيط لبدء الإمدادات إلى بلدان أخرى.
وفي المرحلة الثانية، تستعد شركة شينت لاستثمار 350 مليون يورو لبناء مصنع آخر سيعمل فيه نحو خمسة آلاف موظف. هذه الأرقام ليست مفاجئة بالنظر إلى أن إجمالي الإيرادات سيصل إلى حوالي ثلاثة مليارات يورو. بالإضافة إلى ذلك، سيتم تزويد الصين، المعروفة بمشاكلها البيئية، بـ"الوقود" الصديق للبيئة والرخيص. ومع ذلك، كما يمكننا أن نلاحظ، باستثناء التصريحات الصاخبة، لم ير أي شيء النور، فقط نماذج الاختبار. على الرغم من أن شركة فولكس فاجن أعلنت أيضًا عن نيتها التعاون مع جرافينانو.
التوقعات والواقع
نحن في عام 2017، وهو ما يعني أن شركة Graphenano تعمل في مجال الإنتاج "الضخم" للبطاريات منذ عامين، ولكن رؤية سيارة كهربائية على الطريق أمر نادر ليس فقط بالنسبة لروسيا. جميع الخصائص والبيانات الصادرة عن الشركة غامضة تمامًا. وبشكل عام، فهي لا تتجاوز الأفكار النظرية المقبولة عمومًا حول المعلمات التي يجب أن تحتوي عليها بطارية الجرافين للسيارة الكهربائية.
علاوة على ذلك، حتى الآن، كل ما تم تقديمه لكل من المستهلكين والمستثمرين هو مجرد نماذج حاسوبية، وليس نماذج أولية حقيقية. ومما يزيد المشكلة أن الجرافين مادة مكلفة للغاية في الإنتاج. على الرغم من التصريحات الصاخبة للعلماء حول كيفية "الطباعة على الركبة"، في هذه المرحلة لا يمكن إلا تقليل تكلفة بعض المكونات.
الجرافين والسوق العالمية
سيقول مؤيدو جميع أنواع نظريات المؤامرة أنه لا أحد يستفيد من ظهور مثل هذه السيارة، لأنه بعد ذلك سوف يتلاشى النفط في الخلفية، مما يعني أن الدخل من إنتاجه سينخفض أيضًا. ومع ذلك، على الأرجح، واجه المهندسون بعض المشاكل، لكنهم لا يريدون الإعلان عنها. أصبحت كلمة "الجرافين" الآن مسموعة على نطاق واسع، ويعتقد الكثير من الناس أنها ربما لا يريد العلماء إفساد مجدها.
مشاكل في التنمية
ومع ذلك، قد تكون النقطة هي أن المادة مبتكرة حقًا، لذا فهي تتطلب نهجًا مناسبًا. ربما يجب أن تكون البطاريات التي تستخدم الجرافين مختلفة بشكل أساسي عن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية أو بطاريات الليثيوم بوليمر.
هناك نظرية أخرى. وقالت شركة Graphenano إن البطاريات الجديدة يتم شحنها خلال ثماني دقائق فقط. ويؤكد الخبراء أن هذا ممكن بالفعل، فقط قوة مصدر الطاقة يجب أن لا تقل عن ميغاواط واحد، وهو أمر ممكن في ظل ظروف الاختبار في المصنع، ولكن ليس في المنزل. بناء كمية كافيةستكلف إعادة التعبئة بهذه الطاقة الكثير من المال، وسيكون سعر إعادة الشحن مرتفعًا جدًا، لذا فإن بطارية الجرافين للسيارة لن تحقق أي فائدة.
تظهر الممارسة أن التقنيات الثورية تستغرق وقتًا طويلاً للاندماج في السوق العالمية. يجب إجراء العديد من الاختبارات لضمان سلامة المنتج، لذلك يتأخر أحيانًا إصدار الأجهزة التكنولوجية الجديدة لسنوات عديدة.
منذ أكثر من 200 عام، تم إنشاء أول بطارية في العالم على يد الفيزيائي الألماني فيلهلم ريتر. بالمقارنة مع بطارية A. Volta الموجودة بالفعل، يمكن شحن وتفريغ جهاز تخزين فيلهلم بشكل متكرر. على مدار قرنين من الزمان، تغيرت البطارية الكهربائية كثيرًا، ولكن على عكس "العجلة"، يستمر اختراعها حتى يومنا هذا. اليوم، تملي ظهور التقنيات الجديدة في إنتاج البطاريات أحدث الأجهزةفي حاجة إلى ذاتية التشغيل. أدوات جديدة وأكثر قوة، سيارات كهربائية، طائرات بدون طيار - كل هذه الأجهزة تتطلب أجهزة صغيرة وخفيفة الوزن ولكنها أكثر اتساعًا ومتانة البطاريات.
يمكن وصف الهيكل الأساسي للبطارية باختصار - وهي الأقطاب الكهربائية والكهارل. إن مادة الأقطاب الكهربائية وتكوين المنحل بالكهرباء هي التي تحدد خصائص البطارية وتحدد نوعها. يوجد حاليًا أكثر من 33 نوعًا من مصادر الطاقة القابلة لإعادة الشحن، لكن أكثرها استخدامًا هي:
- حمض الرصاص؛
- النيكل والكادميوم؛
- النيكل هيدريد المعادن؛
- ليثيوم أيون.
- ليثيوم بوليمر؛
- النيكل والزنك.
عمل أي منها هو تفاعل كيميائي عكسي، أي أن التفاعل الذي يحدث أثناء التفريغ يتم استعادته عند الشحن.
نطاق تطبيق البطاريات واسع جدًا، واعتمادًا على نوع الجهاز الذي يتم تشغيله به، يتم فرض متطلبات معينة على البطارية. على سبيل المثال، بالنسبة للأدوات، يجب أن تكون خفيفة الوزن وصغيرة الحجم ولها سعة كبيرة بما فيه الكفاية. بالنسبة لأداة كهربائية أو طائرة بدون طيار، يعد تيار الخرج مهمًا، نظرًا للاستهلاك التيار الكهربائيمرتفع جدا. في الوقت نفسه، هناك متطلبات تنطبق على جميع البطاريات - سعة عالية ومورد لدورات الشحن.
يعمل العلماء في جميع أنحاء العالم على هذه القضية ويجرون الكثير من الأبحاث والاختبارات. لسوء الحظ، تبين أن العديد من العينات التي أظهرت نتائج كهربائية وتشغيلية ممتازة كانت باهظة الثمن من حيث التكلفة ولم يتم إطلاقها في الإنتاج. الإنتاج بكثافة الإنتاج بكميات ضخمة. مع الجانب الفني, أفضل الموادلإنشاء البطاريات، يتم استخدام الفضة والذهب، ومن وجهة نظر اقتصادية، لن يكون سعر هذا المنتج في متناول المستهلك. وفي الوقت نفسه، لا يتوقف البحث عن حلول جديدة، وكان أول اختراق مهم هو بطارية الليثيوم أيون.
تم تقديمه لأول مرة في عام 1991 شركة يابانيةسوني. تتميز البطارية بالكثافة العالية وانخفاض التفريغ الذاتي. ومع ذلك، كان لديها عيوب.
كان الجيل الأول من مصادر الطاقة هذه متفجرًا. بمرور الوقت، تراكمت التشعبات على الأنود، مما أدى إلى حدوث ماس كهربائي ونشوب حريق. في عملية التحسين في الجيل القادمتم استخدام أنود الجرافيت وتم التخلص من هذا العيب.
وكان العيب الثاني هو تأثير الذاكرة. مع الشحن غير الكامل المستمر، فقدت البطارية قدرتها. تم استكمال العمل للقضاء على هذا النقص الاتجاه الجديدالرغبة في التصغير. إن الرغبة في إنشاء هواتف ذكية وأجهزة فائقة النحافة وأجهزة أخرى تتطلب العلم لتطوير مصدر جديد للطاقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن بطارية الليثيوم أيون التي عفا عليها الزمن بالفعل لم تلبي احتياجات المصممين الذين يحتاجون إليها مصدر جديدالكهرباء ذات كثافة أعلى بكثير والتيار الناتج العالي.
ونتيجة لذلك، تم استخدام إلكتروليت بوليمر في نموذج أيون الليثيوم، وتجاوز التأثير كل التوقعات.
لم يكن النموذج المحسن خاليًا من تأثير الذاكرة فحسب، بل كان أيضًا متفوقًا عدة مرات على سابقه من جميع النواحي. لأول مرة، أصبح من الممكن إنشاء بطارية بسمك 1 ملم فقط. علاوة على ذلك، يمكن أن يكون شكله متنوعًا جدًا. بدأ الطلب الكبير على هذه البطاريات على الفور بين المصممين وشركات تصنيع الهواتف المحمولة.
ولكن لا تزال هناك أوجه قصور. تحول العنصر إلى خطر الحريق؛ عند إعادة الشحن، أصبح ساخنا ويمكن أن يشتعل. تم تجهيز بطاريات البوليمر الحديثة بدائرة مدمجة تمنع الشحن الزائد. يوصى أيضًا بشحنهم فقط بشكل خاص شواحن، المدرجة في المجموعة أو نماذج مماثلة.
لا اقل خاصية مهمةالبطارية - التكلفة. اليوم هذا هو الأكثر مشكلة كبيرةعلى طريق تطوير البطارية.
إمدادات الطاقة السيارة الكهربائية
تقوم شركة Tesla Motors بإنشاء بطاريات باستخدام تقنيات جديدة تعتمد على المكونات علامة تجاريةباناسونيك. ولم يتم الكشف عن السر بشكل كامل، لكن نتائج الاختبار مشجعة. إيكوموبيل نموذج تسلا S، المجهزة ببطارية تبلغ طاقتها 85 كيلووات في الساعة فقط، قطعت ما يزيد قليلاً عن 400 كيلومتر بشحنة واحدة. وبطبيعة الحال، لا يخلو العالم من الفضوليين، لذلك تم أخيراً افتتاح إحدى هذه البطاريات التي تبلغ قيمتها 45 ألف دولار أمريكي.
كان بالداخل العديد من خلايا أيون الليثيوم من باناسونيك. ومع ذلك، فإن تشريح الجثة لم يقدم جميع الإجابات التي نود الحصول عليها.
تقنيات المستقبل
على الرغم من فترة طويلة من الركود، فإن العلم على وشك تحقيق تقدم كبير. من المحتمل جدًا أن يعمل الهاتف المحمول غدًا لمدة شهر دون إعادة الشحن، وستسافر السيارة الكهربائية مسافة 800 كيلومتر بشحنة واحدة.
تكنولوجيا النانو
ويزعم العلماء في جامعة جنوب كاليفورنيا أن استبدال أنودات الجرافيت بأسلاك السيليكون بقطر 100 نانومتر سيزيد من سعة البطارية 3 مرات ويقلل وقت الشحن إلى 10 دقائق.
اقترحت جامعة ستانفورد من حيث المبدأ النوع الجديدالأنودات أسلاك نانوية كربونية مسامية ومغطاة بالكبريت. ووفقا لهم، فإن مصدر الطاقة هذا يتراكم كهرباء أكثر بـ 4-5 مرات من بطارية Li-ion.
قال العالم الأمريكي ديفيد كيسايلوس إن البطاريات المعتمدة على بلورات المغنتيت لن تكون أكثر سعة فحسب، بل ستكون أيضًا أرخص نسبيًا. بعد كل شيء، يمكن الحصول على هذه البلورات من أسنان المحار.
يأخذ العلماء في جامعة واشنطن نظرة أكثر عملية للأشياء. لقد حصلوا بالفعل على براءة اختراع لتقنيات جديدة للبطاريات، حيث يتم استخدام أنود القصدير بدلاً من قطب الجرافيت. كل شيء آخر لن يتغير ويمكن للبطاريات الجديدة أن تحل محل البطاريات القديمة بسهولة في أجهزتنا المعتادة.
الثورة موجودة بالفعل اليوم
السيارات الكهربائية مرة أخرى. في الوقت الحالي، لا يزالون أدنى من السيارات من حيث القوة والمسافة المقطوعة، لكن هذا لن يدوم طويلاً. هذا ما يقوله ممثلو شركة IBM، الذين اقترحوا مفهوم بطاريات الليثيوم الهوائية. علاوة على ذلك، وعدنا بتقديم مصدر طاقة جديد متفوق من جميع النواحي للمستهلكين هذا العام.
تخيل هاتفًا محمولاً يحتفظ بالشحن لمدة تزيد عن أسبوع ثم يتم شحنه خلال 15 دقيقة. رائع؟ ولكن يمكن أن يصبح حقيقة بفضل دراسة جديدة أجراها علماء في جامعة نورث وسترن (إيفانستون، إلينوي، الولايات المتحدة الأمريكية). قام فريق من المهندسين بتطوير قطب كهربائي لبطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن (والتي تستخدم في معظمها اليوم). هاتف خليوي) ، مما جعل من الممكن زيادة قدرتها على الطاقة بمقدار 10 مرات. ولا تقتصر المفاجآت السارة على هذا - الجديد أجهزة البطاريةيمكن شحنه 10 مرات أسرع من الأجهزة الحالية.
للتغلب على القيود التي تفرضها التقنيات الحالية على سعة الطاقة ومعدل شحن البطارية، استخدم العلماء نهجين مختلفين في الهندسة الكيميائية. ولن تؤدي البطارية الناتجة إلا إلى إطالة وقت التشغيل الصغير الأجهزة الإلكترونية(مثل الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة)، ولكنها تمهد الطريق أيضًا لتطوير بطاريات أكثر كفاءة وصغيرة الحجم للسيارات الكهربائية.
وقال البروفيسور هارولد إتش كونغ، أحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة: "لقد وجدنا طريقة لتمديد وقت الاحتفاظ بالشحن لبطارية ليثيوم أيون جديدة بمقدار 10 مرات". "وحتى بعد 150 جلسة شحن/تفريغ، وهو ما يعني سنة من التشغيل على الأقل، تظل هذه البطارية أكثر فعالية بخمس مرات من بطاريات الليثيوم أيون الموجودة في السوق اليوم."
يعتمد تشغيل بطارية الليثيوم أيون على تفاعل كيميائي تنتقل فيه أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود الموجودين على طرفي نقيض من البطارية. أثناء تشغيل البطارية، تهاجر أيونات الليثيوم من الأنود عبر المنحل بالكهرباء إلى الكاثود. عند الشحن، يتغير اتجاههم إلى العكس تمامًا. البطاريات الحالية لها اثنين من القيود الهامة. إن سعة الطاقة الخاصة بها - أي المدة التي يمكن للبطارية أن تحمل فيها الشحنة - محدودة بكثافة الشحن، أو عدد أيونات الليثيوم التي يمكن وضعها على الأنود أو الكاثود. وفي الوقت نفسه، فإن معدل شحن هذه البطارية محدود بالسرعة التي تستطيع بها أيونات الليثيوم الانتقال عبر المنحل بالكهرباء إلى القطب الموجب.
في البطاريات القابلة لإعادة الشحن الحالية، قد يحتوي الأنود، المصنوع من صفائح جرافين متعددة، على ذرة ليثيوم واحدة فقط لكل ست ذرات كربون (التي يصنع منها الجرافين). وفي محاولة لزيادة قدرة الطاقة في البطاريات، أجرى العلماء بالفعل تجارب على استبدال الكربون بالسيليكون، الذي يمكن أن يحتوي على كمية أكبر بكثير من الليثيوم: أربع ذرات ليثيوم لكل ذرة سيليكون. ومع ذلك، يتمدد السيليكون وينكمش بشكل حاد أثناء الشحن، مما يتسبب في تفتيت مادة الأنود، ونتيجة لذلك، فقدان سريع لقدرة شحن البطارية.
حالياً سرعة منخفضةيتم تفسير شحن البطارية من خلال شكل صفائح الجرافين: مقارنة بالسمك (الذي يبلغ ذرة واحدة فقط)، يتبين أن طولها كبير للغاية. أثناء الشحن، يجب أن ينتقل أيون الليثيوم إلى الحواف الخارجية لصفائح الجرافين، ثم يمر بينها ويتوقف في مكان ما بالداخل. نظرًا لأن الليثيوم يستغرق وقتًا طويلاً للوصول إلى منتصف ورقة الجرافين، فقد لوحظ شيء مثل ازدحام الأيونات عند حوافها.
وكما ذكرنا سابقًا، قام فريق كونغ البحثي بحل هاتين المشكلتين باستخدام اثنتين تقنيات مختلفة. أولاً، لضمان استقرار السيليكون وبالتالي الحفاظ على أقصى قدرة لشحن البطارية، قاموا بوضع مجموعات السيليكون بين صفائح الجرافين. هذا جعل من الممكن زيادة عدد أيونات الليثيوم في القطب، مع استخدام مرونة صفائح الجرافين في نفس الوقت لاستيعاب التغيرات في حجم السيليكون أثناء عملية الشحن / التفريغ للبطارية.
يقول كونغ: "نحن الآن نضرب العصفورين بحجر واحد". "مع السيليكون، نحصل على كثافة طاقة أعلى، والطبقات المتداخلة تقلل من فقدان الطاقة الناجم عن تمدد وانكماش السيليكون. وحتى لو تم تدمير مجموعات السيليكون، فإن السيليكون نفسه لن يذهب إلى أي مكان.
بالإضافة إلى ذلك، استخدم الباحثون عملية أكسدة كيميائية لإنشاء ثقوب صغيرة (10-20 نانومتر) في صفائح الجرافين ("عيوب في المستوى")، مما يوفر لأيونات الليثيوم "وصولاً سريعًا" إلى الأنود وتخزينه لاحقًا هناك نتيجة لذلك. من التفاعل مع السيليكون . أدى هذا إلى تقليل الوقت اللازم لشحن البطارية بمقدار 10 مرات.
حتى الآن، تركزت كافة الجهود لتحسين أداء البطارية على أحد مكوناتها - الأنود. وفي المرحلة التالية من البحث، يخطط العلماء لدراسة التغيرات في الكاثود لنفس الغرض. بالإضافة إلى ذلك، يريدون تعديل نظام الإلكتروليت بحيث يمكن للبطارية أن تنطفئ تلقائيًا (وبشكل عكسي) متى درجات حرارة عالية- قد تكون آلية الحماية المماثلة مفيدة عند استخدام البطاريات في السيارات الكهربائية.
وفقا للمطورين، في شكله الحالي تكنولوجيا جديدةينبغي أن تصل إلى السوق في غضون السنوات الثلاث إلى الخمس المقبلة. تم نشر مقال عن نتائج البحث والتطوير للبطاريات الجديدة في مجلة مواد الطاقة المتقدمة.
بطارية "الكم".
تستضيف طوكيو في الفترة من 26 إلى 28 فبراير معرضًا للتخزين يضم شركة Micronics Japan وغيرها. المحدودة. لا يُعرف سوى القليل عن تطوراتها السابقة، لكنها أعلنت مؤخرًا أنها طورت وأعدت لإنتاج نوع جديد من البطاريات ذات الطبقات. الخلية الوحيدة التي تعرضها الشركة عبارة عن طبقة من أشباه الموصلات من أكسيد المعدن من النوع n، تستخدم ثاني أكسيد التيتانيوم، وثاني أكسيد القصدير، وجزيئات أكسيد الزنك المغلفة بطبقة عازلة. يستخدم النموذج الأولي صفائح من الفولاذ المقاوم للصدأ بسمك 10 ميكرون، ولكن سيتم استبدالها قريبًا بالألمنيوم.
أطلق المطورون على بطاريتهم اسم الكم للتأكيد على طبيعتها الفيزيائية وليس الكيميائية. على الرغم من أنها تستخدم الإلكترونات بدلاً من الأيونات لتخزين الطاقة، إلا أن البطارية تعمل بشكل مختلف عن المكثفات. ويقال إن النظام يعتمد على تخزين الإلكترونات "في فجوة النطاق" لأشباه الموصلات.
عند إنتاج هياكل أشباه الموصلات من أكسيد المعدن، يتم تشعيع طبقة الشحن لجهاز التخزين بالأشعة فوق البنفسجية. بعد التصنيع، عند الشحن، تشغل الإلكترونات مستويات طاقة حرة في مادة العمل ويتم تخزينها هناك حتى تحتاج البطارية إلى التفريغ. والنتيجة هي بطاريات قابلة لإعادة الشحن ذات كثافات تخزين طاقة عالية جدًا.
من غير المعروف ما هي المؤشرات التي تحتوي عليها عينات الاختبار، لكن المطور ذكر أن عينات الإنتاج التي ستظهر في المستقبل القريب ستكون لها قدرة تصل إلى 500 واط/ساعة وستكون قادرة على إنتاج ما يصل إلى 8000 واط من طاقة الذروة. لكل لتر من الحجم.
تجمع هذه المحركات أفضل الميزاتالبطاريات والمكثفات الفائقة. حتى مع السعة الصغيرة، سيكونون قادرين على إنتاج طاقة ذروة عالية. لا ينخفض الجهد الذي يتم إزالته من محركات الأقراص هذه عند تفريغها، ولكنه يظل ثابتًا حتى النهاية.
نطاق درجة حرارة التشغيل المعلنة هو من -25 إلى +85 درجة مئوية. يمكن أن تخضع البطارية إلى 100 ألف دورة شحن وتفريغ قبل أن تنخفض سعتها إلى أقل من 90% من الأصلية. ستؤدي القدرة على امتصاص الطاقة وإطلاقها بسرعة إلى تقليل وقت الشحن بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، هذه البطاريات مقاومة للحريق. ولا يتم استخدام مواد نادرة أو باهظة الثمن في إنتاجها. بشكل عام، هناك العديد من المزايا التي يصعب تصديقها.
بطارية ذاتية الشحن
ابتكرت مجموعة من الباحثين بقيادة تشونغ لين وانغ من معهد جورجيا للتكنولوجيا (الولايات المتحدة الأمريكية) بطارية ذاتية الشحن لا تتطلب الاتصال بمنفذ لإعادة الشحن.
يتم شحن الجهاز عن طريق الحركة الميكانيكية، أو بالأحرى عن طريق الضغط. ومن المخطط استخدامه في الهواتف الذكية وأجهزة اللمس الأخرى.
وضع المطورون أجهزتهم تحت مفاتيح الآلة الحاسبة وتمكنوا من ضمان تشغيلها طوال اليوم باستخدام الطاقة الناتجة عن الضغط على الأزرار.
البطارية عبارة عن "محيط" من فلوريد البولي فينيلدين وأغشية تيتانات زركونات الرصاص التي يبلغ سمكها عدة مئات من الميكرومترات. عند الضغط عليه، تهاجر أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود بسبب التأثير الكهرضغطي. ولزيادة كفاءة النموذج الأولي، أضاف الباحثون جزيئات نانوية إلى مادته الكهرضغطية، مما عزز التأثير المقابل، وحققوا زيادة كبيرة في سعة الجهاز وسرعة شحنه.
عليك أن تفهم أن البطارية غير شفافة، لذا لا يمكن وضعها إلا تحت الأزرار أو أسفل الشاشة.
لا تحتوي البطارية على خصائص مميزة مثل الجهاز الموصوف سابقًا (الآن زادت سعة البطارية بحجم "الكمبيوتر اللوحي" القياسي للوحات الأم من 0.004 إلى 0.010 مللي أمبير في الساعة)، لكن المطورين يعدون بمواصلة العمل على تحسينها. كفاءة. لا تزال التصاميم الصناعية بعيدة المنال، على الرغم من أن الشاشات المرنة - وهي الأجهزة الرئيسية التي يخطط المطورون لوضع بطارياتهم فيها - لا تزال موزعة بشكل سيئ. لا يزال هناك وقت لوضع اللمسات النهائية على اختراعك ووضعه في مرحلة الإنتاج.
بطارية تعتمد على السكر
يبدو أن الآسيويين فقط هم من يشاركون في تطوير البطاريات. تم إنشاء النموذج الأولي لبطارية أخرى غير عادية في جامعة فيرجينيا الأمريكية للفنون التطبيقية.
تعمل هذه البطارية بشكل أساسي على السكر، وبشكل أكثر دقة على المالتوديكسترين، وهو عديد السكاريد الذي يتم الحصول عليه من التحلل المائي للنشا. المحفز في مثل هذه البطارية هو الإنزيم. وهو أرخص بكثير من البلاتين الذي يستخدم الآن في البطاريات التقليدية. هذا النوع من البطاريات عبارة عن بطارية إنزيمية. خلايا الوقود. يتم إنتاج الكهرباء هنا عن طريق تفاعل الأكسجين والهواء والماء. على عكس خلايا الوقود الهيدروجيني، فإن الإنزيمات غير قابلة للاشتعال وغير قابلة للانفجار. وبعد استنفاد البطارية لمواردها، بحسب المطورين، يمكن إعادة تعبئتها بالسكر مرة أخرى.
عن المواصفات الفنيةلا يُعرف سوى القليل عن هذا النوع من البطاريات. يُذكر فقط أن كثافة الطاقة فيها أعلى بعدة مرات من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. تكلفة هذه البطاريات أقل بكثير من التقليدية، لذلك فإن المطورين واثقون من أنهم سيجدون استخدامًا تجاريًا في السنوات الثلاث المقبلة. فلننتظر ما وعدنا به.
البطارية ذات هيكل العقيق
لكن علماء من مختبر التسريع الوطني الأمريكي SLAC بجامعة ستانفورد قرروا زيادة حجم البطاريات التقليدية باستخدام هيكل العقيق.
قام المطورون بتقليل حجم الأنودات قدر الإمكان ووضع كل منها في غلاف كربوني. وهذا يساعد على منع تدميرها. أثناء عملية الشحن، تتوسع الجزيئات وتتحد في مجموعات، والتي يتم وضعها أيضًا في غلاف كربوني. ونتيجة لمثل هذه التلاعبات، فإن سعة هذه البطاريات أكبر بعشر مرات من سعة بطاريات الليثيوم أيون التقليدية.
ويترتب على التجارب أنه بعد 1000 دورة شحن/تفريغ، تحتفظ البطارية بنسبة 97% من سعتها الأصلية.
لكن من السابق لأوانه الحديث عن التطبيق التجاري لهذه التكنولوجيا. يعد إنتاج جزيئات السيليكون النانوية مكلفًا للغاية، كما أن عملية إنشاء مثل هذه البطاريات معقدة للغاية.
البطاريات النووية
وأخيرا، سأخبركم عن التطوير علماء بريطانيون. قرروا التفوق على زملائهم من خلال إنشاء مفاعل نووي مصغر. تنتج البطارية النووية النموذجية التي أنشأها باحثون من جامعة ساري باستخدام التريتيوم طاقة كافية للتشغيل تليفون محموللمدة 20 عاما. صحيح أنك لن تتمكن من إعادة شحنه لاحقًا.
ويحدث تفاعل نووي في البطارية وهي عبارة عن دائرة متكاملة، وينتج عنه إنتاج 0.8 - 2.4 واط من الطاقة. درجة حرارة العملنطاق البطارية من -50 إلى +150. وفي الوقت نفسه فهي ليست خائفة التغيرات المفاجئةدرجة الحرارة والضغط.
يدعي المطورون أن التريتيوم الموجود في البطارية لا يشكل خطورة على البشر، لأنه هناك القليل جدا من المحتوى هناك. ومع ذلك، حول الإنتاج بكثافة الإنتاج بكميات ضخمةمن السابق لأوانه الحديث عن مصادر الطاقة هذه، فلا يزال أمام العلماء الكثير من الأبحاث والاختبارات للقيام بها.
خاتمة
بالطبع، لن تجد جميع التقنيات الموصوفة أعلاه تطبيقها، ومع ذلك، يجب أن نفهم أنه في السنوات القليلة المقبلة يجب أن يكون هناك طفرة في تكنولوجيا إنتاج البطاريات، الأمر الذي سيؤدي إلى زيادة في انتشار السيارات الكهربائية وإنتاجها. للهواتف الذكية والأجهزة الإلكترونية الأخرى من نوع جديد.