يشعر معظم الأشخاص الذين يقودون المركبات الكهربائية بالقلق بشأن بعض الأشياء: إلى أي مدى يمكن أن تصل السيارة عند الشحن الكامل، وكيف تعمل البطارية عندما يكون الجو باردًا جدًا في الخارج، ومدى سرعة إعادة شحنها. تظهر ورقة بحثية جديدة نُشرت في مجلة Nature في 25 فبراير أننا قد نكون قريبين من حل اثنتين من هذه المشكلات في وقت واحد.
ويأتي البحث من فريق بقيادة البروفيسور تشاو تشينغ والأكاديمي تشن جون في جامعة نانكاي، إلى جانب لي يونغ من معهد شنغهاي لمصادر الطاقة الفضائية. لقد وجدوا طريقة لجعل بطاريات الليثيوم أكثر قوة. وعلى وجه التحديد، وصلوا إلى كثافة طاقة تبلغ 700 واط ساعة/كجم. عادةً ما تتراوح أفضل البطاريات المستخدمة في السيارات اليوم بين 250 وات/كجم إلى 255 وات/كجم، وتعد بطاريات الحالة الصلبة بحوالي 500 وات/كجم.
لفهم سبب أهمية ذلك، فكر في بطارية مثل خزان الوقود. إذا كان لديك خزانان لهما نفس الوزن، لكن أحدهما يحمل طاقة أكبر بثلاث مرات، فيمكن لسيارتك القيادة لمسافة أبعد دون توقف. تضاعف التكنولوجيا الجديدة قدرة الطاقة ثلاث مرات تقريبًا مقارنة بالمعايير الحالية. وهذا يعني أن السيارات الكهربائية يمكنها في النهاية السفر لمسافات أطول دون الحاجة إلى بطاريات ضخمة وثقيلة تثقل كاهل السيارة.
يكمن سر هذه القفزة في الطاقة في السائل الموجود داخل البطارية، وهو الإلكتروليت. تستخدم البطاريات مزيجًا من أملاح الليثيوم ومذيبات الكربونات، والتي تعتمد على ذرات الأكسجين لمساعدة الليثيوم على التحرك. هذا يعمل بشكل جيد، ولكن له جوانب سلبية كبيرة. الشوارد السائلة سميكة ولا تنتشر بسهولة. كما أنها تتوقف عن العمل بشكل جيد عندما تنخفض درجة الحرارة، ولهذا السبب تفقد العديد من المركبات الكهربائية نطاقها خلال فصل الشتاء.
قرر الفريق الصيني تجربة شيء مختلف. لقد ابتكروا نوعًا جديدًا من السوائل باستخدام المذيبات الهيدروكربونية المفلورة. وبدلاً من استخدام الأكسجين لتحريك الليثيوم، استخدموا الفلور. هذا التغيير يجعل السائل "أكثر رطوبة"، لذا تحتاج البطارية إلى كمية أقل منه لتعمل. ولأن السائل أرق ويتدفق بشكل أفضل، فإنه يمكنه نقل الطاقة بشكل أسرع بكثير.
يعمل التصميم الجديد بشكل جيد للغاية في البرد. غالبًا ما تتوقف البطاريات التقليدية عن العمل عندما تتجمد، لكن الخلايا الجديدة لا تزال قادرة على العمل عند درجة حرارة 50 درجة مئوية. وحتى في درجة الحرارة القصوى هذه، تحافظ البطارية على كثافة طاقة تبلغ حوالي 400 واط ساعة/كجم. ولا يزال هذا أعلى مما تقدمه معظم السيارات الكهربائية المتطورة في درجة حرارة الغرفة اليوم.
وأوضح الفريق أنه كان عليهم أن يكونوا حذرين للغاية فيما يتعلق بكيفية إنشاء المنحل بالكهرباء الجديد، وكان عليهم موازنة "المساحة" داخل السائل حتى تتمكن ذرات الليثيوم من التحرك بحرية. ومن خلال التحول من الأكسجين إلى الفلور، قاموا بإزالة عنق الزجاجة الذي كان يعيق الأداء، مما سمح للبطارية بأن تكون أخف وأقوى في نفس الوقت.
تتسابق العديد من الشركات لبناء بطاريات الحالة الصلبة، والتي يطلق عليها غالبًا "الكأس المقدسة" لهذه الصناعة. ولكن حتى هذه البطاريات تصل عادة إلى حوالي 400 واط/كجم فقط. يُظهر الاكتشاف الجديد أن البطاريات "السائلة" يمكنها بالفعل التغلب على تكنولوجيا الحالة الصلبة إذا كانت الكيمياء صحيحة. إذا انتقل هذا من المختبر إلى المصنع، فقد يغير طريقة بناء كل شيء بدءًا من شاحنات التوصيل إلى الطائرات.
يمكن لهذه البطاريات تشغيل الروبوتات المتقدمة أو حتى المعدات المستخدمة في الفضاء. في الوقت الحاضر، يشير رقم 700 واط ساعة/كجم فقط إلى الخلية الفردية، ولكن بمجرد تجميع هذه الخلايا في نظام بطارية كامل، ستكون المكاسب كبيرة. يوضح هذا البحث أن بطاريات الليثيوم لا تزال تتمتع بإمكانات غير مستغلة وتتحدى التوقعات التي حددتها تكنولوجيا الحالة الصلبة.
