تكنولوجيا طال انتظارها قد تغير العالم أخيرًا
تكنولوجيا طال انتظارها قد تغير العالم أخيرًا
بطاريات الحالة الصلبة تستعد للظهور في السنوات القادمة
تخيل هذا: هناك تقنية تخضع حاليًا للاختبار والتي ، عند طرحها للجمهور ، ستصبح ثورة طال انتظارها في مجال الطاقة. تعد هذه التقنية الجديدة بأن تكون أكثر أمانًا وفعالية من أي شيء لدينا في السوق الآن.سيؤثر ذلك على ما نعتبره عاديًا - الأدوات الكهربائية ، والألعاب ، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة ، والهواتف الذكية - وما نعتبره استثنائيًا - الأجهزة الطبية ، والمركبات الفضائية ، وتصميمات المركبات الجديدة المبتكرة اللازمة لفطمنا عن الوقود الأحفوري. لقد عرفنا عن هذه التكنولوجيا منذ قرون ، ومع ذلك لم نتمكن حتى الآن من اتخاذ سوى خطوات صغيرة نحو إنشائها. يتم ضخ مليارات الدولارات في الأبحاث وسيتم تحقيق مليارات أخرى بمجرد إتقان التكنولوجيا وإصدارها.
قد يبدو هذا الوصف كثيرًا مثل وصف قوة الانصهار. ومع ذلك ، فهو يشير في الواقع إلى الابتكارات القادمة في مجال تكنولوجيا البطاريات - خاصة تلك المتعلقة ببطاريات الحالة الصلبة. وعلى الرغم من أن كلاً من طاقة الاندماج وبطاريات الحالة الصلبة قد تم تصنيفها على أنها تقنيات المستقبل ولكن لم يحدث ذلك اليوم ، فقد زادت التطورات والاستثمارات في المواد الصلبة بشكل كبير على مر السنين. اليوم ، لا يقتصر الأمر على مشاركة العديد من الشركات الكبرى والباحثين الموثوق بهم ، ولكن يبدو أننا قد نبدأ أخيرًا في رؤية هذه البطاريات تُطلق في السنوات القليلة المقبلة فقط.
ماذا يمكن أن نتوقع بمجرد أن تصبح هذه التكنولوجيا التحويلية المراوغة جاهزة أخيرًا للإنتاج بالجملة؟
البطاريات ليست أكثر من أجهزة تخزن الطاقة الكيميائية وتحولها إلى طاقة كهربائية. وتتكون من أربعة أجزاء رئيسية: الكاثود والأنود والإلكتروليت والفاصل. القطب السالب والأنود هما الأقطاب الكهربائية. ينتج تيارنا الكهربائي عندما تنتقل الإلكترونات من قطب كهربائي إلى آخر. في هذه الحالة ، يتم تمرير الإلكترونات من القطب الموجب المشحون سالبًا إلى القطب الموجب المشحون. دور القطبين إذن هو إنتاج تيارنا الكهربائي. يسمح محلول الإلكتروليت بتدفق الأيونات الموجبة الشحنة بين القطبين. هذا يوازن تدفق الإلكترونات. أخيرًا ، يبقي الفاصل القطبين منفصلين ويمنع البطارية من قصر الدائرة.
هناك اختلاف واحد مهم بين بطارياتنا الحالية وبطاريات الحالة الصلبة في المستقبل: الإلكتروليت.تحتوي بطاريات الليثيوم أيون الحالية على سائل إلكتروليت. لسوء الحظ ، تسمح بعض المركبات الموجودة في السائل المنحل بالكهرباء بنمو الهياكل البلورية المعروفة باسم التشعبات. تنتج التشعبات شعيرات طويلة وحادة يمكن أن تثقب الفاصل وتتسبب في قصر الدائرة ، مما يؤدي بالتالي إلى انفجارات خطيرة. كما يوحي اسمها ، تحتوي بطاريات الحالة الصلبة على إلكتروليت صلب يمنع نمو هذه التشعبات الضارة. ناهيك عن حدوث شيء مذهل بمجرد تحول المنحل بالكهرباء من سائل إلى صلب.
تتمتع البطارية بكثافة طاقة أعلى ، وتقل مخاطر الحرائق والانفجارات بشكل كبير ، كما أنها تشغل مساحة أقل ، كما أنها قادرة على العمل في نطاق درجات حرارة أوسع دعونا نلقي نظرة ، على سبيل المثال ، على ما قد يعنيه هذا بالنسبة للسيارات.
إلى حد بعيد أكبر عيب للسيارات الكهربائية اليوم هو نطاق قيادتها المحدود. سيحصل متوسط السيارة الكهربائية على مدى 250-300 ميل (402-483 كم) بشحنة كاملة.يستغرق شحن السيارة بالكامل من ساعة إلى 17 ساعة اعتمادًا على ما إذا كانت السيارة تشحن في محطة أو تستخدم منفذًا قياسيًا في المنزل.ومع ذلك ، من المتوقع أن تستمر شعبية السيارات الكهربائية في النمو ، لتهيمن في النهاية على قطاع السيارات. للوصول إلى هذه النقطة ، سيحتاجون إلى توسيع نطاقهم إلى ما لا يقل عن 450 ميلاً (724 كم) مع البقاء في متناول المستهلك.
دعنا الآن نقدم بطارية الحالة الصلبة.
يصبح مدى قيادة السيارات الكهربائية ضعف أو ثلاثة أضعاف العدد الحالي. يمكن للشركات الاختيار بين صنع بطارية أصغر حجمًا وأخف وزنًا يتم شحنها بشكل أسرع أو ترك البطارية بنفس الحجم مع نطاق أوسع بكثير. تم تقليل أوقات الشحن أيضًا إلى 15 دقيقة فقط. إذا نظرنا إلى تطورات Samsung في بطاريات الحالة الصلبة ، فإننا نرى أنها كانت قادرة على تطوير بطارية يمكن شحنها وتفريغها أكثر من 1000 مرة بمدى 500 ميل (805 كم) لكل شحنة. يبلغ عمر هذه البطارية 500000 ميل. وكل ذلك مع القدرة على العمل بكفاءة في درجات الحرارة القصوى.
شيء من هذا القبيل يمكن أن يكون نهاية المركبات التي تعمل بالغاز.بالنسبة لأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية ، فهذا يعني أن الأجهزة يمكن أن تدوم أيامًا بشحن واحد (سريع جدًا) ، مع زيادة العمر الإجمالي للبطارية من عامين فقط إلى أكثر من 10. يمكن أن تصبح الأجهزة الطبية أكثر قابلية للحمل وصغير الحجم بينما يعني نطاق درجة الحرارة الأكبر يمكن أن يكون لبطاريات الحالة الصلبة تطبيقات في تكنولوجيا الفضاء المستقبلية.
هذه الإمكانات لم تفلت من انتباه الشركات القوية. لقد استثمرت فولكس فاجن وفورد وبي إم دبليو وهيونداي وتويوتا وبيل جيتس مليارات الدولارات في أبحاث الحالة الصلبة. قامت الشركة المدعومة من بيل جيتس والمعروفة باسم QuantumScape بتصنيع بطاريات صلبة بطبقات من السيراميك مقاومة لنمو التغصنات وقادرة على العمل في درجات حرارة منخفضة. تخطط تويوتا لإصدار محدود من المركبات ذات البطاريات الصلبة بحلول عام 2025. ومع ذلك فإن الإنجاز الأكثر إثارة يأتي من شخص ربما لم تسمع به من قبل.
قامت الشركة المدعومة من بيل جيتس والمعروفة باسم QuantumScape بتصنيع بطاريات صلبة بطبقات من السيراميك مقاومة لنمو التغصنات وقادرة على العمل في درجات حرارة منخفضة.
تخطط تويوتا لإصدار محدود من المركبات ذات البطاريات الصلبة بحلول عام 2025. ومع ذلك فإن الإنجاز الأكثر إثارة يأتي من شخص ربما لم تسمع به من قبل.
قدم فريق بحثي بقيادة الفيزيائي John Goodenough براءة اختراع لبطارية صلبة من الزجاج والسيراميك مستقرة ، وغير قابلة للاشتعال ، وتوفر شحنًا أسرع ، وتخزن طاقة أكبر بثلاث مرات من بطارية ليثيوم أيون عادية. تم تحقيق ذلك عن طريق إضافة الصوديوم أو الليثيوم لتكوين قطب كهربائي في البطارية. وبنفس القدر من الأهمية ، تكون البطارية ميسورة التكلفة ويُقدر أنها تدوم أكثر من 2000 دورة شحن وتفريغ. نطاق درجة حرارة التشغيل للبطارية الزجاجية بين -4 درجة فهرنهايت و 140 درجة فهرنهايت (-20 درجة مئوية و 60 درجة مئوية).
Goodenough نفسه ليس عالمًا عاديًا. حصل على 8 جوائز علمية ، من بينها جائزة نوبل في الكيمياء.تشمل ابتكاراته السابقة التي غيرت العالم بطارية الليثيوم أيون الأصلية وذاكرة الوصول العشوائي اللازمة لتشغيل الكمبيوتر. لقد أدت مشاركته - إلى جانب مشاركة العديد من الشركات المنافسة الكبرى - إلى جعل بطارية الحالة الصلبة في متناول أيدينا. قد نبدأ في رؤية إصدار محدود لهذه التكنولوجيا في غضون 3 أو 4 سنوات فقط ، على الرغم من أنه من الصعب تحديد متى ستحقق إصدارًا أوسع للجمهور.
تمثل البطارية أكثر بكثير من مجرد الراحة. إنه يمثل عنصرًا أساسيًا في إنقاذ العالم. يمكن أن توفر السيارات الكهربائية الأكثر قدرة تحولًا جذريًا في سوق السيارات - الابتعاد عن المزيد من المركبات التي تعمل بالغاز الثقيل. يمكن أيضًا إنتاج بطاريات الحالة الصلبة بمواد صديقة للأرض مثل الصوديوم الموجود في مياه المحيطات الوفيرة. ولكن ربما أكثر من أي شيء آخر ، فإن وصول بطاريات الحالة الصلبة سيمثل قدرات أكثر عقولنا ذكاءً: القدرة على صنع تقنية حقيقية عرفناها منذ قرون وحلمنا بها لعقود. لا يجب أن تظل إلى الأبد تقنية المستقبل ، ولكن يمكن أن تكون تقنية اليوم.
كتب بواسطة
طالب في الفيزياء الفلكية ، كاتب لأكثر من عقد. شغف باللغة والكون غير المكتشف.أهدف إلى الزواج بين الشعر والعلم.ella.aldrsn@gmail.com
أين يكتب المستقبل
تعليقات
إرسال تعليق