مع استمرار تداخل التكنولوجيا مع حياتنا وتراجع اعتماد العالم على الوقود الأحفوري، ازدادت أهمية البطارية المتواضعة.
فهل نتحرك نحو المستقبل حيث يعمل الكوكب بأكمله بالبطارية؟ لكن هناك عاملين كبيرين يحددان هذا الاحتمال:
دعنا أولاً نكتشف مقدار الطاقة التي تحتوي عليها جيجاوات، وهي الوحدة الرئيسية للطاقة التي سنستخدمها في هذه المقالة ، التي تحتوي عليها حقًا.
- يمكن لبطارية واحدة بسعة تخزين 1 جيجا وات أن تشغل لمبة 100 واط واحدة لمدة 1141 سنة.
- ويمكن أيضا بمحرك Tesla Model S 100D يمكن الذهب إلى القمر والعودة 8 مرات أو يمكن أن يشغل مدينة نيويورك في ذروة استخدام الكهرباء في الصيف لمدة 270 ثانية.
صحيح، أصبحت البطاريات تتحسن بشكل أفضل ، وفي الوقت الحاضر ، يمكنها تخزين ما يزيد عن ضعف الطاقة لكل كيلوغرام كما كان الحال في التسعينيات ، مما يعني أنها نصف الوزن لنفس الطاقة المخزنة. كما في الطائرات drone والهواتف الذكية.
فما هو الحد الأقصى لهذا الاتجاه؟
البطاريات من حيث المبدأ بسيطة إلى حد ما: نأخذ اثنين من المعادن المذابة جزئيا ، إحداها ذرات ترغب في الحل أكثر لتتخلى عن الإلكترونات والأخرى التي تريد ذراتها أن تودع مرة أخرى في الجزء الصلب ولكنها تحتاج إلى إلكترونات احتياطية للقيام بذلك.
عند وضع هذين الأثنين معا متصلين بسلك أو موصل آخر بتلبية رغبات كل منهما ، إما تذوب أكثر أو تودع المزيد، وترسل الإلكترونات إلى بعضها البعض على طول السلك. أما إذا قمت بدفع الكهرباء للخلف عبر السلك ، فسوف ينعكس حلها وإيداعها ، والمعروف باسم "إعادة الشحن"
هناك عاملان أساسيان لكيفية فرض البطاريات خفيفة الوزن من خلال جانب اثنين من العوامل: وزن المادتين اللتين تستخدمهما ، ومقدار الطاقة التي تعطيها لكل إلكترون يتم تداوله. لذا فأنت تريد أخف المواد التي تنتج أكبر قدر من الطاقة لكل إلكترون.
المعادن من الجانب الأيسر للجدول الدوري، مثل الليثيوم والصوديوم والبريليوم تريد حقاً فقدان الإلكترونات، بينما الذرات في الجانب الأيمن مثل الفلور، والأكسجين والكبريت حيث تريد إلكترونات إضافية بينما الذرات القريبة من الأعلى فهي الأخف وزنا ، لذلك يمكننا فقط تجميع الليثيوم والفلور معاً صنع منهم بطارية مثالية، أليس كذلك؟
للأسف، لا - الليثيوم والفلور هما وسيلة للتفاعل أيضا - أحد الاستخدامات العملية الوحيدة الموثقة جيدًا لتفاعل فلور الليثيوم الذي ينتج عنه عبارة عن وقود صاروخ قوي وخطير بشكل لا يصدق.
من الناحية العملية ،نقول أن الكيمياء الكهربائية للبطاريات معقدة بشكل لا يصدق ، ويتطلب الجمع بين المعادن التي تعمل جيدًا معًا كيميائيًا وكهربائيًا ويمكن التحكم فيها في درجات الحرارة العادية و كمية الضغط المطبق عليها. على سبيل المثال ، الأكسجين هو عبارة عن غاز ، والكبريت عبارة عن موصل فظيع ، أما الصوديوم فيجب أن يكون منصهرًا - التحديات تتعلق باستخدام أي منهم لصنع البطاريات.
الليثيوم والجرافيت يستخدم كمعيار حالي للبطاريات خفيفة الوزن والقابلة لإعادة الشحن والآمنة تجاريًا على جانب واحد ، مع مجموعة متنوعة من الخيارات للجانب الآخر ، وغالبًا ما يكون أكسيد الكوبالت.
ذرات الليثيوم هي ما تذوب أو ترسب من أجل نقل الإلكترونات ، ومن هنا جاء اسم "أيون الليثيوم" ، في حين أن المواد الأخرى تكون ثقيلة الوزن طوال الدورة. أعني أنهم يلعبون أدوارا كيميائية مهمة، لكنهم يزيدون بشكل كبير من الوزن لكل إلكترون منقول.
لذا كيف يمكن الحصول على بطارية أخف وزناً؟
الحسابات النظرية وضعت الحد الأدنى من الوزن المحتمل لبطاريات الليثيوم الأيونية عند حوالي نصف ما هي عليه حاليا.
ويجري حاليا تطوير مرشح أخف والتي هي بطارية ليثيوم الكبريت، التي لديها كمية مماثلة من الطاقة لكل إلكترون مثل بطاريةأيونات الليثيوم، ولكن الليثيوم والكبريت أخف وزنا من الليثيوم والكوبالت والأكسجين والكربون وبالتالي فإن بطارية بسعة مكافئة يمكن من حيث المبدأ أن تزن حوالي الثلث.
حتى أفضل، بطاريات الليثيوم - الأكسجين، في حين لا تزال تكنولوجيا بعيدة المنال بشكل لا يصدق، نظريا أربع مرات أخف وزنا من الليثيوم بطاريات الكبريت. ولكن هذا قريب جدا من الحد الأقصى من البطاريات القائمة على التفاعل الكيميائي.
لا توجد بالفعل أي مواد تعطي طاقة لكل إلكترون لوزن معين من الليثيوم على الجانب المذاب والفلور على جانب الترسيب والليثيوم- تقتصر بطارية الفلور - الخطيرة والمستحيلة - على أن تكون أخف بنسبة 10٪ فقط من بطارية الليثيوم والأكسجين.
وبالتالي فإن الحد الأدنى النظري للبطاريات هو حوالي 5٪ من الأوزان الحالية ولكن هذا سيناريو عالمي مثالي لا يُستهان به ، ويتم تنفيذه من كل شيء.
وعلى الأرجح أنه انتهى بنا الأمر بالجمع بين البطاريات الجيدة والمكثفات الفائقة وخلايا الوقود والطاقة الكهرومائية وأنواع أخرى من تخزين الطاقة الميكانيكية ، وربما يتعين على الطائرات دائمًا استخدام نوع من وقود الهيدروكربون.
حسناً، حتى هنا هذا مثال على تكنولوجيا البطارية المذهلة المتاحة لدينا اليوم.
من المتوقع أن يقوم المصنع العملاق في نيفادا بتصنيع 35 جيجاوات ساعة من خلايا البطاريات سنويًا بحلول عام 2021 ، وهو ما يكفي لتزويد نصف مليون مركبة سنويًا.