متنوع

بطارية مستدامة تدوم طويلاً يمكن أن تكون قريبة منك

بطارية مستدامة تدوم طويلاً يمكن أن تكون قريبة منك

تخيل عالمًا لا داعي للقلق بشأن العثور على مكان لشحن بطارية هاتفك؟ قد يكون الحلم اليوتوبي لبطارية طويلة الأمد ومستدامة قاب قوسين أو أدنى.

لكن هل هذا واقعي؟ على الرغم من أننا لم نصل إلى هناك بعد ، فقد كان هناك فورة من العمل من قبل الباحثين حول العالم لجعل هذا احتمالًا واضحًا.

راجع أيضًا: TESLA TAPS في ابتكارات بطارية `` اختراق ''

أدرك الباحثون والعلماء الآخرون منذ فترة طويلة أنه إذا كنا جادين في الانتقال إلى مستقبل أكثر استدامة ، فنحن بحاجة حقًا إلى إصلاح مشكلة تخزين الطاقة المحدودة السعة ، مثل البطاريات. وقد أدى ذلك إلى مناقشات عالمية حول القضية المطروحة.

حتى أنه كان هناك انفجار في الشركات الناشئة الذكية التي كرست نفسها لهذه الوظيفة. تتراوح حلولهم من التحسينات التدريجية على تصميم البطارية القديم إلى المزيد من الحلول الجاهزة.

حتى الآن ، تتراوح هذه المكثفات الدقيقة ، وخلايا وقود الأكسيد الصلب المصغرة ، وبوليمر الجرافين ، والجرافيت الألومنيوم ، وتكنولوجيا الأسلاك النانوية الذهبية وحتى الصوديوم. هناك بطاريات يمكن شحنها بالماء والجلد والموجات الصوتية والبول والنباتات وحتى الملح والرغوة.

ومع ذلك ، على الرغم من هذا الانفجار في الأفكار ، لم يكن أي منها قادرًا على البقاء تجاريًا. على الأقل ليس بعد.

قد تكون إحدى العقبات نقص الأموال التي تمكن هذا المجال من البحث من الحصول عليها. قدرت شركة Lux Research ، وهي شركة أبحاث تكنولوجية ، أن من4 مليارات دولار تنفق على أبحاث الطاقة ، فقط 1% تم غرقه في أبحاث الطاقة على مدى الماضي 10 سنوات.

وفقًا لمجلس ابتكار الطاقة الأمريكي ، فإن الولايات المتحدة ، على وجه الخصوص ، تنفق أكثر على شرائح البطاطس وأصناف التورتيلا أكثر مما تنفق على R و D.

لماذا نحتاج إلى الابتعاد عن الليثيوم أيون

ولكن ما الخطأ في بطاريات الليثيوم أيون نسمعك تبكي. هذه التكنولوجيا متاحة على نطاق واسع وبأسعار معقولة نسبيًا لمعظم الناس.

لكن هذا يكذب التكلفة الحقيقية لمخازن الطاقة الضئيلة هذه. إنتاجهم بعيد عن أن يكون مستدامًا.

غالبًا ما يتم الحصول على مكوناتها بطريقة غير أخلاقية ، من مناجم هائلة وتميل إلى أن تكون ضارة جدًا بالبيئة عندما تصل إلى نهاية الحياة.

في الواقع ، بطاريات Li-on ليست ابتكارًا حديثًا ، على الرغم مما قد تعتقد. يمكن أن ترجع هذه التقنية أصلها إلى حوالي عام 1912 بفضل عمل الكيميائي الفيزيائي الأمريكي جيلبرت نيوتن.

ولكن ، حتى السبعينيات من القرن الماضي ، ستظهر بطاريات Li-on غير القابلة للشحن في السوق.

في حين أنها تأتي اليوم في مجموعة متنوعة من الأحجام والأشكال ، إلا أن تشريحها الأساسي متطابق تقريبًا. بطاريات Li-on polymer ، على سبيل المثال ، تختلف حقًا فقط عن إخوانهم وأخواتهم Li-on الآخرين باستخدام إلكتروليت البوليمر الصلب الجاف.

استخدمت بطاريات Li-on المبكرة القابلة للشحن أقطابًا كهربائية قائمة على الليثيوم ، ولكن وجد أن هذا أقل من مثالي في الثمانينيات. يمكن أن تصبح شديدة الحرارة بالفعل ويمكن أن تشكل خطر حريق محتمل.

من ناحية أخرى ، تحل بطاريات اليوم محل معدن الليثيوم وبدلاً من ذلك تستخدم كوبالت الليثيوم للكاثود والجرافيت للأنود. يتكون إلكتروليت البطارية أيضًا من ملح الليثيوم.

أدى الطلب على بطاريات الليثيوم أيون إلى تعطش كبير للليثيوم في جميع أنحاء العالم. لدرجة أن سعره تضاعف بين عامي 2016 و 2018.

أحد أكبر مصادر الليثيوم هو ما يسمى بمثلث الليثيوم الذي يغطي الأرجنتين وبوليفيا وشيلي. لاستخراجه ، يقوم عمال المناجم بحفر ثقوب في المسطحات الملحية ويضخون محلول ملحي غني بالمعادن إلى السطح.

ثم يتم ترك هذا ليتبخر ببساطة في الشمس ويتم التخلص من الأملاح الغنية بالليثيوم. لكن هذه العملية تستهلك الكثير من الماء.

لدرجة أن المزارعين المحليين يعانون حقًا من نقص كمية المياه المناسبة لمحاصيلهم. ليس ذلك فحسب ، بل إن عملية استخراج الليثيوم يمكن أن تؤدي إلى احتمال تسرب المواد الكيميائية السامة المستخدمة في العملية إلى دورة المياه المحلية.

التخلص منها يمثل أيضًا مشكلة للبيئة. في حين أن إيجاد طرق لإعادة تدويرها بشكل فعال أو إيجاد طرق أخرى لاستخراج الليثيوم من مياه البحر يمكن أن يساعد في حل عنق الزجاجة المحتمل في الإمداد ، فهو في الحقيقة مجرد جبس على ذراع مكسورة.

نحتاج حقًا إلى إيجاد بديل لهذه البطارية الموقرة والمنتشرة في كل مكان.

ما هي بعض البدائل المحتملة لـ Li-on؟

حتى الآن ، هناك بعض مجالات البحث المثيرة للاهتمام التي يمكن أن توفر إمكانية إقلاع Li-on من عرشها. يُظهر النمو في الإلكترونيات خلال القرن الماضي أن الحاجة إلى بطارية طويلة الأمد ومستدامة أصبحت أكثر إلحاحًا.

تعمل الصناعات الأخرى أيضًا على دفع الزخم لحل هذه المشكلة في أسرع وقت ممكن. ستضع السيارات الكهربائية ، على وجه الخصوص ، مزيدًا من الضغط على الموارد الطبيعية المتضائلة وتضاعف الممارسات المشكوك فيها بالفعل المستخدمة في إنتاج بطاريات ليثيوم أيون اليوم.

مع وضع ذلك في الاعتبار ، يمكن أن تمهد مجالات البحث الأربعة التالية الطريق لبطارية أكثر استدامة وطويلة الأمد في المستقبل. هناك العديد من المشاريع الأخرى ، ولكن هذه بعض المشاريع الواعدة.

1. بطاريات الألومنيوم ستكون أفضل للبيئة

أحد الإمكانات ، من الباحثين في جامعة فيكتوريا في ويلينجتون ، هو البحث عن نوع جديد من الإلكتروليت. يمكن أن يكون هؤلاء ، بالتعاون مع Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Clermont-Ferrand في فرنسا ، المفتاح لبطاريات الألومنيوم العملية.

وفقًا لقائد البحث ، البروفيسور توماس نان ، "سيجعل هذا المنحل بالكهرباء بطاريات الألومنيوم أرخص وأسهل في الإنتاج. إنه أرخص من السوائل الأيونية المستخدمة حاليًا في بطاريات الألومنيوم ، كما أنه أكثر استدامة ، حيث يمكن تصنيع الإلكتروليت الخاص بنا من النباتات ".

هذا يمكن أن يكون له أرجل. إذا كانت البطاريات المصنوعة من الألمنيوم قابلة للتحقيق ستكون بديلاً ممتازًا. ستكون غير سامة ، ولن تتعرض لخطر الانفجار ، ويمكن إعادة تدويرها بسهولة ، ويصادف أن الألومنيوم هو أحد أكثر المعادن وفرة على الأرض!

2. يمكن أن تكون إضافة الموليبدينوم والكبريت إلى المزيج هو الحل

على الرغم من عدم استبدال الليثيوم تقنيًا تمامًا ، يعمل فريق بحث في جامعة تكساس على جعل استخدام الليثيوم في البطاريات أكثر فعالية وأمانًا للبيئة.

وفقًا للفريق ، سيكون إنتاج بطاريات الليثيوم-الكبريت أقل تكلفة ، وستكون خفيفة جدًا وتخزن أكثر من ضعف الطاقة مثل بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. لكن الكبريت موصل كهربائي ضعيف ، كما أن أقطاب الكبريت تميل إلى الانهيار أثناء الشحن - أقل من مثالية.

لكنهم تمكنوا من إيجاد حل بديل. بإضافة الموليبدينوم إلى الكبريت ، تصبح الأقطاب الكهربائية فجأة موصلة للكبريت ، والأهم من ذلك أنها مستقرة.

قال عضو البحث الدكتور كيونغجاي تشو: "كان هذا ما كان يبحث عنه الجميع ، لفترة طويلة". "هذا هو الاختراق. نحن نحاول قمع ردود الفعل الجانبية. إنها تقنية حماية.

"نحن ننتقل بهذا إلى الخطوة التالية وسنعمل على تثبيت المواد بشكل كامل وإدخالها في التكنولوجيا التجارية الفعلية والعملية."

3. ربما يجب علينا إعادة اختراع العجلة بالكامل؟

هناك بديل آخر ، من قبل باحثين في ETH Zurich و Empa في سويسرا ، وهو يبحث في تغيير المواد المستخدمة في الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية بالكامل.

يمكن أن يكون نيتريد التيتانيوم بديلاً جيدًا للإلكتروليتات الحالية القائمة على الليثيوم. هذه مادة تشبه السيراميك تظهر موصلية كهربائية عالية.

قال ماكسيم كوفالينكو من ETH Zurich: "يتكون هذا المركب من عناصر وفيرة للغاية من التيتانيوم والنيتروجين ، وهو سهل التصنيع."

يمكن أيضًا تشكيلها بسهولة في أغشية رقيقة.

كما يستخدم الجرافيت بسهولة ككاثود في حلول البطاريات المستدامة مثل بطاريات الألومنيوم. وجد الفريق أنه يمكنهم استبدال الجرافيت بهيدروكربون يشبه السلسلة يسمى بوليبيرين.

في حين أن هذا قد يبدو خيارًا غريبًا ، إلا أنه يحتوي على بعض الفوائد المثيرة للاهتمام على الجرافيت. من أهمها القدرة على التأثير في خصائصه.

يمكن أن يؤدي الجمع بين نيتريد التيتانيوم والبولي بيرين إلى فتح الباب لشيء يسمى "خلايا الحقيبة" وهي بطاريات مغلفة بغشاء مرن.

4. يمكن أن تطيل أقطاب الكبريتيد من عمر بطاريات الليثيوم

يعمل الباحثون في جامعة سنترال فلوريدا على بطارية مستدامة تعتمد على الكبريتيد. في تقرير حديث نُشر في مجلة مواد الطاقة المتقدمة ، يصفون كيف صمموا نوعًا جديدًا من الأقطاب الكهربائية.

يزعمون أن هذا القطب يُظهر موصلية ممتازة ، ومستقر في درجات حرارة عالية ، وينبغي أن يكون رخيصًا نسبيًا. ليس هذا فقط ، ولكن استخدامه يمكن أن يجعل بطاريات الليثيوم الحالية تدوم لفترة أطول.

ويقدرون أنه قد يعني أن بطاريات الليثيوم يمكن أن تحتفظ بأدائها العالي لأكثر من ألف من دورات إعادة الشحن دون أن تتحلل.

حلهم هو استبدال الكاثود بسبيكة رقيقة من كبريتيد النيكل وكبريتيد الحديد. يجلب هذا المزيج للكاثود العديد من المزايا المثيرة للاهتمام مقارنة بالمزايا التقليدية الموجودة بينهما 300 و 500 مرة.

السر هو مزيجهم من النيكل وكبريتيد الحديد في غشاء رقيق. تم حفر هذا الفيلم لاحقًا لجعله مساميًا على مستوى المقياس النانوي.

تعمل هذه الثقوب النانوية أو الهياكل العظمية على توسيع مساحة السطح المتاحة للتفاعل الكيميائي بشكل كبير.

قال يانغ: "هذه تقنية غشاء رقيق تحويلية حقًا".


شاهد الفيديو: البطارية الي تشغل موبايلك من غير شحن طول حياتك (ديسمبر 2021).