إن إنجيل رياضة السيارات المقدس لكولين تشابمان - "بسّط، ثم أضف الخفة" - قد تلقى ضربة مناسبة في عصر السيارات الكهربائية. في كل مرة ألقي فيها صاروخًا حديثًا عالي الجهد على منعطف شعر ضيق، أستطيع أن أشعر بالمطاط المعذب وهو يصرخ تحت كتلة كل ذلك. لقد قمنا ببناء آلات رائعة ذات عزم دوران مذهل، ولكن السر القذر وراء كل سيارة كهربائية مشذبة بالكربون هو أننا نسحب لوحًا ضخمًا يبلغ وزنه نصف طن (إذا كنا محظوظين) من الوزن الكيميائي الساكن.
الجاني هو كيمياء أيون الليثيوم التقليدية. إن خلايا البطارية التي تعتمد على أنودات الجرافيت تصطدم بالفعل بسقفها النظري الذي يبلغ حوالي 350 واط ساعة/كجم. ومن أجل استخلاص مجموعة حقيقية من السيارات السياحية الكبرى من هذا النوع من كثافة الطاقة، لم يكن أمام شركات صناعة السيارات خيار سوى بناء سفن حربية متدحرجة.
لنأخذ على سبيل المثال سيارة بورش تايكان GTS، وهي سيارة رائدة على الإطلاق في ديناميكيات الهيكل، ولكنها ترجح كفة الميزان عند 2,360 كجم عندما تكون فارغة. يبلغ وزن سيارة Tesla Model S Plaid 2,178 كجم، وتصطدم سيارة Lotus Emeya الخطيرة بـ 2,650 كجم على الطريق. حتى مع وجود نوابض هوائية ذكية ونظام توجيه بالعجلات الخلفية يعملان لوقت إضافي، لا يمكنك خداع الفيزياء إلى الأبد.
ولحسن الحظ، قد يكون لدينا حل في الأفق. نشر فريق بحث مشترك من مختبر تيانموشان وجامعة تسينغهوا دراسة مذهلة تمت مراجعتها من قبل النظراء في مجلة Nature Communications. لقد صمم الباحثون خلية كيسية من معدن الليثيوم عالية الثبات تتخطى العتبة السحرية لتصل إلى 602.5 واط ساعة/كجم. وهذا ليس تحسنا متواضعا وكسريا تم استخلاصه من تعديلات التعبئة والتغليف - فهو يعادل ضعف كثافة الطاقة الموجودة في الغالبية العظمى من السيارات الكهربائية اليوم.
لقد كان استبدال أنود الجرافيت التقليدي بمعدن الليثيوم النقي بمثابة الكأس المقدسة للأحلام الكهروكيميائية. من الناحية النظرية، فإن إزالة مضيف الكربون الثقيل يمنحك دفعة فلكية من الطاقة. في الممارسة العملية، إنه كابوس. عند دفع فولتات عالية عبر خلية معدنية من الليثيوم، يبدأ المنحل بالكهرباء السائل في التحلل إلى حمأة غير مستقرة، مع ظهور نتوءات مجهرية تشبه الإبرة تسمى تشعبات الليثيوم التي تنبت من الأنود. تخترق هذه المحلاق البلورية في نهاية المطاف الفاصل، وتقصر دائرة الخلية، ويتبع ذلك الانفلات الحراري - مما يحول سيارتك الكهربائية باهظة الثمن إلى نار.
يحل الاختراق الذي حققته تسينغهوا وتيانموشان مشكلة عدم الاستقرار هذه عند الحدود الجزيئية. وبدلاً من ترك الكيمياء جامحة، صمم الفريق مادة مضافة إلكتروليتية تخلق "بنية مذيبة ذات تنسيق مضاف قوي". بعد تجريدها من المصطلحات المختبرية، تعمل المادة المضافة كزوج من الحراس المجهريين.
وعلى جانب الكاثود، يقوم بترسيب طبقة واقية كثيفة ورقيقة للغاية تحمي المادة من التدهور الناتج عن الجهد العالي. في الوقت نفسه، على أنود معدن الليثيوم، فإنه يخلق طبقة قوية من الإلكتروليت الصلبة التي تخنق نمو التشعبات قبل أن تبدأ، وتسرع نقل أيون الليثيوم، وتصلح مشكلات السلامة.
تجعل بيانات مقاعد البدلاء الاختبارية قراءة مثيرة للاهتمام. وباستخدام تكوين خلية كيسية بقدرة 10 أمبير مع كاثود ثلاثي عالي النيكل، أنتجت الخلية 550.7 واط ساعة/كجم مع التشبث بنسبة 80% من سعتها الأولية بعد 180 دورة. عندما قام الباحثون بدمج مهاراتهم في الإلكتروليت مع كاثود غني بالليثيوم يعتمد على المنجنيز، قفزت الطاقة إلى هذا المستوى الذي احتل العناوين الرئيسية وهو 602.5 واط ساعة/كجم، وهي قفزة كفاءة تزيد عن 50% مقارنة بخلايا الطاقة السائدة.
ومع ذلك، لاحظ من قام بتمويل وقيادة هذا البحث: مختبر تيانموشان، وهو مؤسسة تركز على الطيران و"اقتصاد الارتفاعات المنخفضة". على الرغم من كل تذمرنا بشأن سيارات الصالون الثقيلة على الطرق الخلفية الملتوية، فإن اليأس الحقيقي بشأن كثافة الطاقة يعود إلى الطيران الكهربائي. لا تستطيع الطائرات الكهربائية ذات الإقلاع والهبوط العمودي (eVTOL) والطائرات التجارية طويلة المدى بدون طيار خداع الفيزياء بقضبان أكثر صلابة مضادة للالتفاف. عندما تستنفد الطائرة حقيبتها، لا يمكنها الوصول إلى محطة الخدمة؛ إنه ببساطة يسقط من السماء. يعد حمل بطارية سعة 600 كجم لنقل راكبين بمثابة طريق مسدود تجاريًا للتنقل الجوي.
لقد شهدنا بالفعل دخول شركة CATL إلى هذا المجال باستخدام بطاريات المادة المكثفة التي توفر ما يصل إلى 350 وات/كجم لتطبيقات الطيران، على الرغم من أن تكاليف التصنيع فلكية. لقد طرحت CATL نظريات حول كيمياء الهواء والليثيوم التي تصل إلى 12000 واط ساعة/كجم - وهو رقم يطابق البنزين على الورق - ولكن هذا خيال بعيد المنال. في العالم الحقيقي، 600 واط/كجم هو خط الأساس حيث يتوقف الطيران الكهربائي عن كونه وسيلة للتحايل ويصبح وسيلة نقل قابلة للتطبيق.
قبل أن نبدأ في تصور ألعاب المسار الكهربائية الخالصة خفيفة الوزن التي ستصل إلى صالات العرض في الصيف المقبل، لا بد من جرعة كبيرة من الواقع. يعد البقاء على قيد الحياة لمدة 180 دورة شحن والاحتفاظ بنسبة 80% في خلية كيس مختبرية خاضعة للرقابة إنجازًا أكاديميًا رائعًا، ولكنه لا يلبي احتياجات النقل البري بأميال.
يطالب مصنعو السيارات بحزم بطاريات يمكنها المرور بأمان من 1000 إلى 1500 دورة شحن سريع عالية الطاقة بالتيار المستمر دون أي تردد. يجب أن تنجو الكيمياء من الحفر والصدمات الحرارية وسنوات من الإهمال. يعد توسيع نطاق إضافات الإلكتروليت المفلورة من مقاعد المختبر إلى ملايين خلايا السيارات مشكلة صناعية لم يتم حلها بعد.
إذا انتقلت بطاريات الليثيوم المعدنية من غرف الأبحاث إلى الإنتاج على نطاق واسع، فقد يكون تأثير السيارات مثيرًا. تصور تقليل وزن حزمة بطارية بقدرة 100 كيلو وات في الساعة من حوالي 650 كجم إلى أقل من 200 كجم. وهذا من شأنه أن يحيي عصر السيارات الخفيفة عالية الأداء، مثل سيارة XiaomiSU7 Ultra بقوة 1500 حصان والتي تزن أقل بـ 400 كجم.
في هذا السيناريو، يمكن للسيارة الرياضية الكهربائية العودة إلى شكلها المدمج والشعور بقوتها من خلال الهيكل، مما يسمح لمحركاتها الكهربائية بالعمل بحرية دون حرق وسادات الفرامل في عدد قليل من اللفات المكثفة. قد نشهد أخيرًا سيارات كهربائية لا تعتمد على قوة حصانية كبيرة فقط لإخفاء حجمها.
