مستقبل تكنولوجيا البطاريات: الأنودات السيليكونية، والجرافين، وبطاريات الألومنيوم والأكسجين، وما إلى ذلك.

ملاحظة المحرر: تُعدّ التكنولوجيا الكهربائية مستقبل كوكب الأرض الأخضر، وتُمثّل تكنولوجيا البطاريات أساسها ومفتاح الحدّ من تطوّرها على نطاق واسع. وتُعتبر بطاريات الليثيوم أيون هي التقنية السائدة حاليًا، لما تتمتّع به من كثافة طاقة عالية وكفاءة فائقة. إلا أن الليثيوم عنصر نادر ذو تكلفة باهظة وموارد محدودة. وفي الوقت نفسه، ومع تزايد الاعتماد على مصادر الطاقة المتجددة، لم تعد كثافة طاقة بطاريات الليثيوم أيون كافية. فكيف يُمكننا التغلّب على ذلك؟ قام مايانك جاين بتقييم بعض تقنيات البطاريات التي يُمكن استخدامها في المستقبل. نُشرت المقالة الأصلية على منصة Medium بعنوان: مستقبل تكنولوجيا البطاريات

الأرض مليئة بالطاقة، ونحن نبذل قصارى جهدنا لاستغلال هذه الطاقة على النحو الأمثل. ورغم أننا حققنا تقدماً ملحوظاً في التحول إلى الطاقة المتجددة، إلا أننا لم نحرز تقدماً كبيراً في مجال تخزين الطاقة.
تُعتبر بطاريات الليثيوم أيون حاليًا المعيار الأعلى في تكنولوجيا البطاريات. ويبدو 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.
بما أننا نستطيع الاستمرار في إنتاج البطاريات على دفعات، فلا يبدو هذا الأمر بالغ الأهمية، لكن المشكلة تكمن في أن الليثيوم معدن نادر نسبيًا، لذا فإن تكلفته ليست منخفضة. ورغم 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 هائل على صناعة الطاقة.
إن كثافة الطاقة العالية للوقود الأحفوري حقيقةٌ لا جدال فيها، وهي عاملٌ مؤثرٌ للغاية يعيق الانتقال إلى الاعتماد الكلي على الطاقة المتجددة. نحن بحاجة إلى بطاريات تُصدر طاقةً تفوق وزننا.
كيف تعمل بطاريات الليثيوم أيون
آلية عمل بطاريات الليثيوم مشابهة لبطاريات AA أو AAA الكيميائية العادية. فهي تحتوي على قطبين، أحدهما موجب والآخر سالب، وإلكتروليت بينهما. وعلى عكس البطاريات العادية، فإن تفاعل التفريغ في بطارية الليثيوم أيون قابل للانعكاس، مما يسمح بإعادة شحنها مرارًا وتكرارًا.

يتكون المهبط (القطب الموجب) من فوسفات حديد الليثيوم، بينما يتكون المصعد (القطب السالب) من الجرافيت، والجرافيت بدوره يتكون من الكربون. الكهرباء هي ببساطة تدفق الإلكترونات. تولد هذه البطاريات الكهرباء عن طريق نقل أيونات الليثيوم بين المصعد والمهبط.
عند الشحن، تتحرك الأيونات إلى المصعد، وعند التفريغ، تتحرك الأيونات إلى المهبط.
تتسبب حركة الأيونات هذه في حركة الإلكترونات في الدائرة، لذا فإن حركة أيونات الليثيوم وحركة الإلكترونات مرتبطة ببعضها البعض.
بطارية ذات قطب سيليكون
تستثمر العديد من شركات السيارات الكبرى، مثل بي إم دبليو، في تطوير بطاريات ذات قطب سيليكوني. ومثل بطاريات الليثيوم أيون العادية، تستخدم هذه البطاريات قطباً من الليثيوم، ولكن بدلاً من القطب الكربوني، تستخدم السيليكون.
يُعدّ السيليكون، عند استخدامه كقطب موجب، أفضل من الجرافيت لأنه يحتاج إلى 4 ذرات كربون لحمل أيونات الليثيوم، بينما تستطيع ذرة سيليكون واحدة حمل 4 أيونات ليثيوم. وهذا يُعدّ تطوراً كبيراً، إذ يجعل السيليكون أقوى بثلاث مرات من الجرافيت.

مع ذلك، لا يزال استخدام الليثيوم سلاحًا ذا حدين. فهذه المادة لا تزال باهظة الثمن، ولكن من الأسهل أيضًا نقل مرافق الإنتاج إلى خلايا السيليكون. أما إذا كانت البطاريات مختلفة تمامًا، فسيتعين إعادة تصميم المصنع بالكامل، مما سيقلل من جاذبية التحول إلى الليثيوم.
تُصنع مصاعد السيليكون بمعالجة الرمل لإنتاج السيليكون النقي، لكن المشكلة الأكبر التي يواجهها الباحثون حاليًا هي انتفاخ هذه المصاعد عند استخدامها، مما قد يؤدي إلى تدهور البطارية بسرعة كبيرة. كما أن إنتاج المصاعد بكميات كبيرة أمر صعب.

بطارية الجرافين
الجرافين نوع من رقائق الكربون، يستخدم نفس مادة قلم الرصاص، لكن عملية ربط الجرافيت بالرقائق تستغرق وقتًا طويلاً. يُشيد بالجرافين لأدائه الممتاز في العديد من التطبيقات، ومنها البطاريات.

تعمل بعض الشركات على تطوير بطاريات الجرافين التي يمكن شحنها بالكامل في دقائق معدودة وتفريغها أسرع بـ 33 مرة من بطاريات الليثيوم أيون. وهذا يُعدّ ذا قيمة كبيرة للسيارات الكهربائية.
بطارية إسفنجية
في الوقت الحالي، تكون البطاريات التقليدية ثنائية الأبعاد. إما أن تكون مكدسة مثل بطارية الليثيوم أو ملفوفة مثل بطارية AA أو بطارية الليثيوم أيون النموذجية.
تُعد بطارية الرغوة مفهومًا جديدًا يتضمن حركة الشحنة الكهربائية في الفضاء ثلاثي الأبعاد.
يُساهم هذا الهيكل ثلاثي الأبعاد في تسريع عملية الشحن وزيادة كثافة الطاقة، وهما صفتان بالغتا الأهمية للبطارية. وبالمقارنة بمعظم أنواع البطاريات الأخرى، لا تحتوي بطاريات الرغوة على إلكتروليتات سائلة ضارة.
تستخدم بطاريات الرغوة إلكتروليتات صلبة بدلاً من الإلكتروليتات السائلة. لا يقتصر دور هذا الإلكتروليت على توصيل أيونات الليثيوم فحسب، بل يعمل أيضاً على عزل الأجهزة الإلكترونية الأخرى.

يتكون المصعد الذي يحمل الشحنة السالبة للبطارية من النحاس الرغوي ومغطى بالمادة النشطة المطلوبة.
ثم يتم وضع إلكتروليت صلب حول المصعد.
وأخيراً، يتم استخدام ما يسمى "بالمعجون الموجب" لملء الفراغات داخل البطارية.
بطارية أكسيد الألومنيوم

تتميز هذه البطاريات بكثافة طاقة عالية جدًا، فهي أقوى وأخف وزنًا من بطاريات الليثيوم أيون الحالية. ويزعم البعض أن هذه البطاريات قادرة على تزويد السيارات الكهربائية بمدى يصل إلى 2000 كيلومتر. ما المقصود بهذا الادعاء؟ للمقارنة، يبلغ أقصى مدى لسيارات تسلا حوالي 600 كيلومتر.
تكمن مشكلة هذه البطاريات في أنها غير قابلة للشحن. فهي تُنتج هيدروكسيد الألومنيوم وتُطلق الطاقة من خلال تفاعل الألومنيوم والأكسجين في محلول إلكتروليتي مائي. ويستهلك استخدام البطاريات الألومنيوم كقطب موجب (أنود).
بطارية الصوديوم
يعمل العلماء اليابانيون حالياً على صنع بطاريات تستخدم الصوديوم بدلاً من الليثيوم.
سيُحدث هذا تغييراً جذرياً، إذ أن بطاريات الصوديوم نظرياً أكثر كفاءة بسبع مرات من بطاريات الليثيوم. ومن المزايا الأخرى الهامة أن الصوديوم سادس أغنى عنصر في احتياطيات الأرض، مقارنةً بالليثيوم الذي يُعد عنصراً نادراً.