مستقبل تكنولوجيا البطاريات: أنودات السيليكون، والجرافين، وبطاريات الألومنيوم والأكسجين، وما إلى ذلك.

ملاحظة المحرر: التكنولوجيا الكهربائية هي مستقبل الأرض الخضراء، وتكنولوجيا البطاريات هي أساس التكنولوجيا الكهربائية والمفتاح لتقييد التطور واسع النطاق للتكنولوجيا الكهربائية. تكنولوجيا البطاريات السائدة الحالية هي بطاريات الليثيوم أيون، التي تتمتع بكثافة طاقة جيدة وكفاءة عالية. ومع ذلك، يعتبر الليثيوم عنصرًا نادرًا ذو تكلفة عالية وموارد محدودة. وفي الوقت نفسه، ومع تزايد استخدام مصادر الطاقة المتجددة، لم تعد كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون كافية. كيفية الرد؟ قام Mayank Jain بتقييم بعض تقنيات البطاريات التي يمكن استخدامها في المستقبل. تم نشر المقال الأصلي على موقع متوسط ​​بعنوان: مستقبل تكنولوجيا البطاريات

الأرض مليئة بالطاقة، ونحن نبذل كل ما في وسعنا لالتقاط هذه الطاقة والاستفادة منها بشكل جيد. وعلى الرغم من أننا قمنا بعمل أفضل في التحول إلى الطاقة المتجددة، إلا أننا لم نحرز تقدماً كبيراً في تخزين الطاقة.
في الوقت الحاضر، أعلى مستوى من تكنولوجيا البطاريات هو بطاريات الليثيوم أيون. يبدو أن هذه البطارية تتمتع بأفضل كثافة طاقة وكفاءة عالية (حوالي 99٪) وعمر طويل.
إذن ما المشكلة؟ مع استمرار نمو الطاقة المتجددة التي نلتقطها، لم تعد كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون كافية.
نظرًا لأننا نستطيع الاستمرار في إنتاج البطاريات على دفعات، فلا يبدو أن هذا يمثل مشكلة كبيرة، لكن المشكلة تكمن في أن الليثيوم معدن نادر نسبيًا، لذا فإن تكلفته ليست منخفضة. وعلى الرغم من انخفاض تكاليف إنتاج البطاريات، فإن الحاجة إلى تخزين الطاقة تتزايد بسرعة أيضًا.
لقد وصلنا إلى نقطة حيث بمجرد تصنيع بطارية الليثيوم أيون، سيكون لها تأثير كبير على صناعة الطاقة.
إن ارتفاع كثافة الطاقة في الوقود الأحفوري أمر واقع، وهذا عامل مؤثر كبير يعيق التحول إلى الاعتماد الكامل على الطاقة المتجددة. نحن بحاجة إلى بطاريات تنبعث منها طاقة أكبر من وزننا.
كيف تعمل بطاريات الليثيوم أيون
آلية عمل بطاريات الليثيوم تشبه البطاريات الكيميائية العادية AA أو AAA. لديهم أطراف الأنود والكاثود، وبينهما إلكتروليت. على عكس البطاريات العادية، فإن تفاعل التفريغ في بطارية الليثيوم أيون يكون قابلاً للعكس، لذلك يمكن إعادة شحن البطارية بشكل متكرر.

يتكون الكاثود (+ الطرف) من فوسفات حديد الليثيوم، ويتكون الأنود (-الطرف) من الجرافيت، والجرافيت مصنوع من الكربون. الكهرباء هي مجرد تدفق الإلكترونات. تولد هذه البطاريات الكهرباء عن طريق تحريك أيونات الليثيوم بين الأنود والكاثود.
عند الشحن، تنتقل الأيونات إلى القطب الموجب، وعند تفريغها، تتجه الأيونات إلى الكاثود.
حركة الأيونات هذه تسبب حركة الإلكترونات في الدائرة، لذا فإن حركة أيون الليثيوم وحركة الإلكترون مرتبطان.
بطارية أنود السيليكون
تستثمر العديد من شركات السيارات الكبرى مثل BMW في تطوير بطاريات أنود السيليكون. مثل بطاريات الليثيوم أيون العادية، تستخدم هذه البطاريات أنودات الليثيوم، ولكن بدلاً من الأنودات القائمة على الكربون، فإنها تستخدم السيليكون.
باعتباره أنودًا، يعتبر السيليكون أفضل من الجرافيت لأنه يتطلب 4 ذرات كربون لاحتواء الليثيوم، ويمكن لذرة واحدة من السيليكون أن تحتوي على 4 أيونات ليثيوم. وهذه ترقية كبيرة... تجعل السيليكون أقوى بثلاث مرات من الجرافيت.

ومع ذلك، فإن استخدام الليثيوم لا يزال سلاحًا ذا حدين. لا تزال هذه المادة باهظة الثمن، ولكن من الأسهل أيضًا نقل مرافق الإنتاج إلى خلايا السيليكون. إذا كانت البطاريات مختلفة تمامًا، فسيتعين إعادة تصميم المصنع بالكامل، مما سيؤدي إلى تقليل جاذبية التبديل قليلاً.
يتم تصنيع أنودات السيليكون عن طريق معالجة الرمال لإنتاج السيليكون النقي، لكن أكبر مشكلة يواجهها الباحثون حاليًا هي أن أنودات السيليكون تنتفخ عند استخدامها. قد يؤدي ذلك إلى تدهور البطارية بسرعة كبيرة. ومن الصعب أيضًا إنتاج الأنودات بكميات كبيرة.

بطارية الجرافين
الجرافين هو نوع من رقائق الكربون يستخدم نفس المادة التي يستخدمها قلم الرصاص، ولكن الأمر يتطلب الكثير من الوقت لربط الجرافيت بالرقائق. تم الإشادة بالجرافين لأدائه الممتاز في العديد من حالات الاستخدام، والبطاريات هي واحدة منها.

تعمل بعض الشركات على بطاريات الجرافين التي يمكن شحنها بالكامل في دقائق، وتفريغها بسرعة 33 مرة أسرع من بطاريات الليثيوم أيون. وهذا ذو قيمة كبيرة للسيارات الكهربائية.
بطارية رغوة
في الوقت الحاضر، البطاريات التقليدية ثنائية الأبعاد. وهي إما مكدسة مثل بطارية الليثيوم أو ملفوفة مثل بطارية AA أو بطارية ليثيوم أيون نموذجية.
تعد بطارية الرغوة مفهومًا جديدًا يتضمن حركة الشحنات الكهربائية في الفضاء ثلاثي الأبعاد.
يمكن لهذا الهيكل ثلاثي الأبعاد تسريع وقت الشحن وزيادة كثافة الطاقة، وهي صفات مهمة للغاية للبطارية. بالمقارنة مع معظم البطاريات الأخرى، لا تحتوي البطاريات الرغوية على إلكتروليتات سائلة ضارة.
تستخدم بطاريات الرغوة إلكتروليتات صلبة بدلاً من إلكتروليتات سائلة. لا يقوم هذا المنحل بالكهرباء بتوصيل أيونات الليثيوم فحسب، بل يعزل أيضًا الأجهزة الإلكترونية الأخرى.

الأنود الذي يحمل الشحنة السالبة للبطارية مصنوع من النحاس الرغوي ومغطى بالمادة النشطة المطلوبة.
ثم يتم تطبيق المنحل بالكهرباء الصلبة حول الأنود.
وأخيرًا، يتم استخدام ما يسمى "المعجون الإيجابي" لملء الفجوات داخل البطارية.
بطارية أكسيد الألومنيوم

تتمتع هذه البطاريات بواحدة من أكبر كثافة الطاقة في أي بطارية. وطاقتها أقوى وأخف وزنا من بطاريات الليثيوم أيون الحالية. يدعي بعض الناس أن هذه البطاريات يمكن أن توفر 2000 كيلومتر من السيارات الكهربائية. ما هو هذا المفهوم؟ كمرجع، يبلغ الحد الأقصى لنطاق إبحار تسلا حوالي 600 كيلومتر.
المشكلة في هذه البطاريات هي أنه لا يمكن شحنها. إنها تنتج هيدروكسيد الألومنيوم وتطلق الطاقة من خلال تفاعل الألومنيوم والأكسجين في المنحل بالكهرباء المائي. استخدام البطاريات يستهلك الألومنيوم باعتباره الأنود.
بطارية الصوديوم
ويعمل العلماء اليابانيون حاليًا على صنع بطاريات تستخدم الصوديوم بدلاً من الليثيوم.
وهذا من شأنه أن يكون مزعجا، حيث أن بطاريات الصوديوم من الناحية النظرية أكثر كفاءة 7 مرات من بطاريات الليثيوم. ميزة أخرى كبيرة هي أن الصوديوم هو سادس أغنى عنصر في احتياطيات الأرض، مقارنة بالليثيوم، وهو عنصر نادر.