بطاريات السيارات الكهربائية “الذهب الجديد”.. تطوير التقنيات والسلامة أكبر تحد لمستقبل خالٍ من الانبعاثات
شحن البطارية في أقل وقت والتخلي عن الكوبالت تطور يغير قواعد اللعبة في تكنولوجيا البطاريات
كتب مصطفى شعبان
تعد تقنيات البطاريات أمرًا أساسيًا للسيارات الكهربائية (EVs) وقد أصبحت هذه التقنيات أكثر تعقيدًا في السنوات الأخيرة، مما يوفر أداءً محسنًا للسيارات الكهربائية.
النقل هو ثاني أكبر مصدر للغازات المسببة للاحتباس الحراري بعد صناعة الطاقة، تعتبر معالجة هذه المشكلة وتقليل تأثير الصناعة على تغير المناخ مصدر قلق رئيسي للباحثين والهيئات الصناعية والحكومات في جميع أنحاء العالم.
في العقد الماضي، حقق سوق السيارات الكهربائية العالمي قفزة كبيرة إلى الأمام، مع زيادة طلب المستهلكين على المركبات ذات الانبعاثات المنخفضة للغاية التي تقود تطور الصناعة، في حين تسبب جائحة COVID-19 العالمي في تعطيل صناعة السيارات إلى حد ما، ظل النمو في مبيعات السيارات الكهربائية إيجابيًا.
تضاعفت المبيعات العالمية للسيارات الكهربائية تقريبًا (43٪) من أرقام عام 2019 في عام 2020، مع نمو حصة السوق من المركبات الكهربائية إلى 4.3%مرة أخرى، في عام 2021، تضاعفت المبيعات إلى 6.75 مليون وحدة في جميع أنحاء العالم.
يمثل تحقيق أهداف صافي الصفر العالمية جزءًا كبيرًا من هذه الثورة في السيارات الكهربائية، حيث تهدف العديد من البلدان إلى التخلص التدريجي من بيع سيارات محركات الاحتراق الداخلي (ICE) الجديدة تمامًا خلال العقود القادمة، لا تزال هناك مخاوف رئيسية مع السيارات الكهربائية، مثل القلق من المدى وأداء البطارية والاستدامة.
تحسين تقنيات البطارية
تم تشبيه السباق نحو بطاريات السيارات الكهربائية المحسّنة باندفاع الذهب الجديد، يعد تطوير تقنيات البطاريات التي تمنح المركبات الكهربائية نطاقًا أفضل وأوقات شحن أسرع وأداءً وموثوقية وأمانًا محسّنًا محورًا مركزيًا للبحث في الصناعة.
تم الإبلاغ عن العديد من التطورات المثيرة من قبل الباحثين وصناع السيارات في السنوات القليلة الماضية، والتي ستساعد صناعة السيارات الكهربائية على تلبية المطالب ومعالجة مخاوف المستهلكين.
في حين أن العديد من التحديات لا تزال تنتظرنا، فإن قيادة قطاع النقل نحو نموذج ما بعد الكربون أمر ضروري.
بطارية EV هجينة سريعة الشحن متغيرة الألعاب
أحد الاهتمامات الرئيسية التي تعيق اعتماد المستهلكين على نطاق واسع لتقنيات السيارات الكهربائية هو وقت الشحن، في حين تم إحراز تقدم في تقليل أوقات الشحن من عدة ساعات كانت تتطلبها المركبات الكهربائية حتى وقت قريب، لا يمكن للطرازات المتاحة تجاريًا حاليًا التنافس مع مركبات ICE في هذا الصدد.
شحن البطارية في وقت أقل مما يتطلبه إعادة التزود بالوقود في سيارة ICE سيكون بمثابة تطور يغير قواعد اللعبة في تكنولوجيا البطاريات التي يمكن أن تزيد بشكل كبير من استيعاب المستهلك لهذه المركبات.
كشفت Morand ، وهي شركة سويسرية ناشئة ، عن تقنية بطارية مبتكرة تقلل من وقت الشحن للمركبات الكهربائية إلى حوالي 72 ثانية، تعد بطارية EV المبتكرة للشركة نظامًا هجينًا يستخدم تقنيات البطاريات التقليدية والمكثفات الفائقة.
توفر التكنولوجيا ، التي يطلق عليها اسم eTechnology ، شحنًا بنسبة 80٪ في 72 ثانية ويمكنها شحن EV بنسبة 100٪ في غضون 2.5 دقيقة فقط. في حين أنها لا تستطيع تلبية متطلبات المركبات الكهربائية بعيدة المدى، فإن التكنولوجيا مناسبة بشكل مثالي لسيارات المدن الصغيرة والدراجات الإلكترونية والطائرات بدون طيار، تعمل التقنية أيضًا بكفاءة في درجات الحرارة القصوى.
تحسين سلامة بطاريات الليثيوم أيون
السلامة هي الشغل الشاغل لمصنعي بطاريات السيارات الكهربائية، في حين أن بطاريات الليثيوم أيون نادرة، يمكن أن تشتعل فيها النيران، خاصة في حالة تلفها، كل عام، تنفق الشركات مبالغ طائلة على تطوير واختبار بطاريات أكثر أمانًا لا تتعرض لخطر نشوب حريق.
طور باحثون في جامعة ستانفورد إلكتروليتًا مقاومًا للحريق حتى في درجات الحرارة القصوى التي تزيد عن 140 درجة فهرنهايت، مركز هذا المحلول هو ملح الليثيوم الإضافي في الإلكتروليتات. أضاف الفريق ملح الليثيوم (على وجه التحديد LiFSI) إلى إلكتروليت قائم على البوليمر.
تمت زيادة محتوى ملح الليثيوم في المنحل بالكهرباء من أقل من النصف إلى 63٪ بالوزن. بشكل فعال ، يعمل LiFSI كـ “مرساة” في المنحل بالكهرباء لجزيئات المذيبات شديدة الاشتعال. من خلال هذا الحل المبتكر ، يمكن أن تستمر بطاريات الليثيوم أيون في العمل في درجات حرارة تصل إلى 212 فهرنهايت.
الكشف عن كيمياء الطور البيني المراوغة باستخدام الأشعة السينية
قدم علماء من وزارة الطاقة الأمريكية رؤى جديدة في كيمياء الطور البيني، تعتبر الطور البيني في البطارية أمرًا ضروريًا لتحسين كثافة الطاقة، يتكون الطور البيني بين المنحل بالكهرباء والأنود حيث تخضع البطارية لدورات الشحن والتفريغ.
نشر الباحثون دراسة متعمقة في Nature Nanotechnology حول الطور البيني للصلب المنحل بالكهرباء في بطاريات الليثيوم أيون وكشفوا عن الكيمياء المعقدة، استفاد نهج الباحث من خط إشعاع حيود مسحوق الأشعة السينية في مصدر ضوء السنكروترون الوطني.
استفاد النهج المبتكر للفريق من مزيج فريد من تقنيات الأشعة السينية المتقدمة لتوفير خريطة كيميائية مفصلة غير مسبوقة لمكونات الطور البيني.
كشف البحث عن تفاصيل دقيقة للكيمياء البينية، والتي ستساعد علماء المستقبل على تصميم أطوار بينية محسنة في بطاريات الليثيوم المعدنية.
التطورات الجديدة الأخرى
استكشف العلماء زوايا بحث متعددة لتحسين تصميم البطاريات والعناصر التكنولوجية المرتبطة بالمركبات الكهربائية في السنوات القليلة الماضية، مما يوفر حلولًا مبتكرة للعديد من التحديات الرئيسية في الصناعة.
صممت تقنيات NAWA قطبًا ثوريًا من الأنابيب النانوية الكربونية فائقة السرعة يعزز بشكل كبير طاقة البطارية وتخزين الطاقة ودورة الحياة.
ركز الباحثون في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا على دمج البطاريات كعناصر هيكلية ، والتي يمكن أن تقلل من وزن المركبات الكهربائية.
البطاريات الخالية من الكوبالت
استكشفت جامعة تكساس البطاريات الخالية من الكوبالت، والتي تغلبت على مشاكل ندرة الموارد لهذا المعدن المهم، طور باحثون في فنلندا بطاريات أنود سيليكون.
تعمل IBM مع Mercedes-Benz لتطوير بطاريات بمواد مستخرجة من مياه البحر.
يتم حاليًا البحث عن بطاريات الحالة الصلبة والزنك الهوائية والرملية، والتي يمكن أن توفر تحسينات في السلامة والأداء والاستدامة مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون الحالية في السوق.
مستقبل سوق بطاريات السيارات الكهربائية
يمر سوق المركبات الكهربائية بثورة، حيث يسعى جاهدًا لتلبية طلب المستهلكين والتزامات صناعة النقل بصافي انبعاثات الكربون، يقدم العديد من صانعي السيارات الآن نماذج تجارية لتلبية هذه المطالب.
يُعد البحث المبتكر الذي يتم إجراؤه حاليًا من قبل العديد من المؤسسات الأكاديمية والهيئات الحكومية وشركات صناعة السيارات في تصميم البطاريات محركًا رئيسيًا لهذه الثورة التكنولوجية.
في حين لا تزال هناك العديد من التحديات الرئيسية ، يبدو مستقبل صناعة السيارات الكهربائية إيجابيًا بشكل متزايد.
