صنع باحثون من جامعة هارفارد بطارية صلبة يتم شحنها خلال عشر دقائق وتستمر لمدة 30 عامًا. هذه التقنية التي حظيت بتغطية إعلامية كبيرة ستظل حلاً طويل المدى لتحول الطاقة.
يقبل الكثير من الناس على اقتناء السيارات الكهربائية بثبات وببطء. لكن لا تزال وتيرة هذا التحول بحاجة إلى تسريع حتى يتمكن العالم من تحقيق هدفه المتمثل في خفض الانبعاثات الصفرية إلى الصفر في عام 2050.
بنفس الوقت، لا يزال العديد من السائقين مترددين في ترك السيارات التي تعمل بالبنزين، على الرغم من التحسينات الهائلة في السيارات الكهربائية. كما يعزو الكثير إن من بين الأسباب التي تجعل اقتناء السيارات الكهربائية بطيء هو بسبب التكلفة العالية والمخاوف بشأن نقص محطات الشحن وعمر البطارية باعتبارها العوائق الرئيسية أمام المستهلكين، بحسب استطلاع أجرته شركة إيبسوس موري.
ومع ذلك، يعتقد فريق من العلماء في جامعة هارفارد أنهم اتخذوا خطوة مهمة نحو حل هذه المعضلات. قام باحثون في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS) بتطوير بطارية “الحالة الصلبة” الجديدة. كما إن الوقت الذي يستغرقه شحن هذه البطارية هو نفس الوقت المستغرق في ملء خزان البنزين. بالإضافة إلى ذلك، تتحمل دورات شحن أكثر بـ 3 إلى 6 مرات من السيارة الكهربائية النموذجية التي تعمل بالبطارية الحالية.
ظهور بطاريات الحالة الصلبة
انتشر في الآونة الأخيرة مفهوم بطاريات الحالة الصلبة بعد أن أعلنت “تويوتا” عن صفقة مع شركة تطوير بطاريات الحالة الصلبة وكيف تنوي استخدامها في جميع سياراتها الكهربائية المسبقة، كما لحقتها “بي إم دبليو” بعد استحواذها على شركة “سولد باور” (Solid Power) التي تعمل في القطاع ذاته ونيتها إطلاق 800 ألف سيارة تعتمد على هذه التقنية بحلول عام 2028، كما أن “سامسونج” أعلنت نيتها استخدام التقنية ذاتها في الهواتف والمنتجات المستقبلية الخاصة بها.
ورغم الصعود المفاجئ لهذا المفهوم، إلا أن التقنية التي تعتمد عليها بطاريات الحالة الصلبة ليست حديثة العهد، بل كانت موجودة منذ مطلع القرن الـ19 على يد مايكل فاراداي الذي قدم التقنية للمرة الأولى في صورتها البدائية.
من ناحية طريقة العمل، فإن بطاريات الحالة الصلبة لا تختلف كثيرا عن بطاريات الليثيوم، إذ تستند على الفكرة العلمية ذاتها بوجود أقطاب مختلفة الشحنة يتم فصلها عن بعضها البعض مع وجود مادة موصلة تعمل على نقل الشحنة بين القطبين.
الاختلاف الأبرز يكمن في حالة المادة الفاصلة بين القطبين، إذ تعتمد بطاريات أيونات الليثيوم على سائل الليثيوم لنقل الشحنة، بينما تعتمد بطاريات الحالة الصلبة على الليثيوم في حالته الصلبة، وهو ما يتيح للبطارية أن تحمل كثافة أعلى من الشحنة الكهربائية.
وبفضل التحول إلى الحالة الصلبة، فإن المخاطر الممزوجة مع بطاريات أيونات الليثيوم السائلة تقل تماما، إذ تظل أيونات الليثيوم الصلبة ثابتة في مختلف أوضاع الاستخدام، ومع غياب مخاطر الانفجارات أو الاحتراق، فإن الحاجة إلى أنظمة تبريد متطورة وحماية للبطارية تصبح أقل.
ناهيك عن أن بطاريات الحالة الصلبة قادرة على حمل الشحن الكهربائية بداخلها لفترة أطول وتخزين شحنات كهربائية أعلى من بطاريات أيونات الليثيوم السائلة، وهو ما ينتج عنه بطاريات ذات سعات أكبر دون الحاجة لزيادة حجم البطارية.
ماهي فوائد بطاريات الحالة الصلبة؟
تعتبر بطاريات الليثيوم أيون هي المسيطرة حاليا والتي يتم استخدامها في كل شيء بدءًا من الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وحتى المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة. بنفس الوقت، نجح الباحثون والمصنعون في خفض أسعار بطاريات الليثيوم أيون بنسبة 90% خلال العقد الماضي. كما يعتقدون أن بإمكانهم جعلها أرخص وأن بإمكانهم أيضًا صنع بطارية ليثيوم أفضل.
تستخدم هذه البطاريات إلكتروليتًا سائلًا لتحريك الأيونات بين الكاثود والأنود عند التفريغ والشحن. إلا أن السائل قابل للاشتعال ويمنع إضافة مواد تطيل عمر البطارية. يعتقد الباحثون أن أحد الحلول هو استخدام الإلكتروليتات الصلبة بدلاً من السائلة.
المزايا مقارنة بنظيرتها السائلة
تعد بطاريات الحالة الصلبة هذه بمجموعة واسعة من المزايا مقارنة بنظيراتها السائلة. قبل كل شيء، فهي توفر كثافة طاقة أعلى؛ مما يعني أنها تستطيع تخزين المزيد من الطاقة لكل وحدة حجم أو وزن، مما يؤدي إما إلى عمر بطارية أطول أو حزم بطاريات أصغر حجمًا وأخف وزنًا. كما أنها تعد بدورة حياة أطول؛ تحمل المزيد من دورات الشحن والتفريغ دون أن تتدهور، وبالتالي زيادة عمر البطارية. كما يتيح استخدام المنحل بالكهرباء الصلب إمكانية الشحن بشكل أسرع بكثير دون التعرض لخطر تلف البطارية بسبب النقل الأيوني الأكثر كفاءة.
يمكن أن تعمل بطاريات الحالة الصلبة عبر نطاق درجات حرارة أوسع من البطاريات السائلة، مما يسمح باستخدامها بشكل أفضل في الظروف الجوية القاسية. تعتبر بشكل عام أكثر أمانًا لأن الإلكتروليت الصلب يقلل من خطر حدوث دوائر قصيرة وارتفاع درجة الحرارة، مما قد يؤدي إلى حرائق أو انفجارات في البطاريات السائلة. وأخيرًا، يمكن تصنيع الإلكتروليت الصلب من مجموعة واسعة من المواد الأرخص ثمنًا والأكثر صداقة للبيئة
بشكل عام، تتمتع بطاريات الحالة الصلبة بالقدرة على إحداث ثورة في صناعة البطاريات من خلال تقديم أداء محسّن وأمان وطول عمر مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية. من جانبه، يقول تيو لومباردو، مصمم نماذج الطاقة لـ “نظرًا لكثافة الطاقة العالية التي تتمتع بها، ستكون بطاريات الحالة الصلبة أكثر ملاءمة للمركبات الكهربائية بدلاً من أنظمة تخزين الطاقة [الثابتة]، ويمكن أن تكون بالفعل مساهمًا رئيسيًا في كهربة وسائل النقل الثقيل”.
المصدر: وكالات
أقرأ أيضا: