وإليك نظرة خاطفة على المستقبل القريب لتكنولوجيا البطاريات

وبحلول الوقت الذي أصبح فيه العقيد برنت ويلسون قائداً للقاعدة في معسكر سميث في أواهو، كان قد شارك في حربي الخليج والعراق وقاد العديد من العمليات الدفاعية في كوسوفو. لكن العدو الذي واجهه في قاعدة هاواي كان مختلفًا عن أي عدو رآه في ساحة المعركة كطيار مروحية في مشاة البحرية. كان عليه أن يتعامل مع البنية التحتية القديمة للطاقة التي يسحقها الطقس الاستوائي بانتظام.

يوضح ويلسون، الذي كان في ذلك الوقت أيضًا جزءًا من الفريق المسؤول عن العمليات الدفاعية في جميع أنحاء المحيط الهادئ: "كانت شبكة الكهرباء بأكملها تتعطل بشكل روتيني مما أدى إلى توقفنا عن العمل". "لا يمكنك الحصول على ذلك حقًا."

لكن المعركة ضد البنية التحتية السيئة كان لها أيضًا حليف غير مستغل: ضوء الشمس. بدأ ويلسون حملة للتثبيت الألواح الشمسية والبطاريات الصناعية التي يمكنها إبقاء الأجزاء الحيوية من العملية متصلة بالإنترنت عند حدوث العواصف. ساعدته هذه التجربة في النهاية على الانتقال إلى مهنة ثانية: بيع بطاريات كبيرة بما يكفي لتشغيل منزلك خارج الشبكة.

طفرة البطارية

وقد تضخم سوق البطاريات في العقود العديدة الماضية، ومن المتوقع أن يرتفع بنسبة 12% أخرى في السنوات الخمس المقبلة، وفقًا لـ استخبارات موردور. وبحلول عام 2025، سيكون سوقًا بقيمة 90 مليار دولار. على مدى العقد الماضي، قامت شركات مثل تيسلا، ودايسون، ودايملر باستثمارات بقيمة مليار دولار في الصناعة، إما عن طريق الاستحواذ على شركات أصغر أو بناء مصانع جديدة. لو هذا المشهد الكلاسيكي من التخرج تم تصوير الفيلم اليوم، فإن النصيحة المهنية المكونة من كلمة واحدة المقدمة لشخصية داستن هوفمان لن تكون "البلاستيك"، بل ستكون "البطاريات".

ما الذي سيدفع كل هذا النمو؟ انخفاض أسعار بطاريات الليثيوم أيون، والإلكترونيات الشخصية، والسيارات الكهربائية التي تتحرك من خلالها، ومن بين عوامل أخرى، يتطلع المزيد من أصحاب المنازل وشركات الطاقة إلى تخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح طاقة.

جنبا إلى جنب مع هذا النمو يأتي الكثير من النفايات. ولسوء الحظ، فإن معظم البطاريات تنتهي في مدافن النفايات. معدلات إعادة تدوير خلايا أيون الليثيوم مروعة: حول 5% بالنسبة للولايات المتحدة والاتحاد الأوروبي. يجد الباحثون طرقًا لجعل بطاريات الليثيوم أيون أكثر قابلية لإعادة التدوير، ولكن حتى لو حدث ذلك، ما زلنا بحاجة إلى ذلك تغيير عادات الأشخاص والشركات الذين لا يقومون بإعادة تدوير البطاريات على الإطلاق والتخلص منها عن طريق رميها في سلة المهملات نفاية.

علاوة على ذلك، يقول بعض الخبراء أن هناك كمية محدودة من الليثيوم المتاحة، على الرغم من أن مدى محدوديتها أمر مطروح للنقاش. إن تعدينه والكوبالت (الذي يستخدم عادة في القطب الموجب لبطارية الليثيوم أيون) يأتي بتكلفة بيئية عالية و التكلفة البشرية. بالإضافة إلى ذلك، ارتفع سعر الكوبالت بشكل ملحوظ في السنوات القليلة الماضية.

كل هذا يطرح السؤال: هل توجد بطاريات أرخص وأكثر صداقة للبيئة؟ هل يمكننا استخدام شيء أفضل؟ ماذا يحمل المستقبل؟

يقوم الكثير من الأشخاص بالبحث في الاحتمالات. منذ التسعينات، أكثر من 300 ألف براءات الاختراع المتعلقة بالبطارية تم تقديمها (أكثر من 30.000 في عام 2017 وحده). في حين أن نسبة كبيرة من هذه الاختراعات مرتبطة بتكنولوجيا أيونات الليثيوم، إلا أنه يتم إنجاز الكثير من العمل على المنحل بالكهرباء الصلب، والأنود القائم على السيليكون، الليثيوم والهواء والجرافين وغيرها من الخيارات، بعضها صديق للبيئة، والبعض الآخر ليس أفضل من الناحية البيئية من أيون الليثيوم ولكن ربما أكثر فعال.

في حين أن معظم هذه الأنواع الجديدة من البطاريات ربما لن يتم تسويقها على نطاق واسع مثل بطاريات الليثيوم أيون (على الأقل في العقدين المقبلين)، إلا أنها يمكن أن تخدم أسواقًا متخصصة كبيرة حقًا. وهنا بعض من تلك الشعبية.

فوسفات الحديد الليثيوم

بعد فترة وجيزة من العقيد. بعد تقاعد ويلسون من الجيش، طلب منه المسؤولون التنفيذيون في إحدى شركات الألواح الشمسية الاستفادة من السنوات التي قضاها في مجال تخزين الطاقة المعرفة (الجيش هو أحد أكبر مستخدمي البطاريات في العالم)، قم برحلة إلى معرض CES في لاس فيغاس، وقم بمسح المحصول الحالي من المنازل البطاريات. وبعد الرحلة، أنشأ جدول بيانات ضخمًا لشرح سبب عدم رضاه عن الخيارات التي رآها. أفضل البطاريات إما كانت باهظة الثمن بالنسبة لصاحب المنزل العادي (أكثر من 30 ألف دولار) أو لم يكن لديها ما يكفي من الطاقة. ثم عمل مع نيوفولتا لإنشاء خط من البطاريات، والتي عادةً ما تكون تكلفتها منخفضة للغاية.

سوف يخبرك الرؤساء الكيميائيون ذوو التفكير البيئي بذلك بسرعة فوسفات الحديد الليثيوم تخزين الطاقة هو مجرد نوع آخر من بطاريات الليثيوم أيون، على الرغم من أنه يتمتع ببعض المزايا البارزة: فهو أرخص، ولديه طاقة أكثر كثافة وعمرًا أطول ولن تشتعل فيها النيران في حالة تمزق الدواخل (وهو ما يمكن أن يحدث مع أيونات الليثيوم). البطاريات). السلبيات؟ إنها ثقيلة للغاية (وهذا هو السبب في أنه من الأفضل وضعها على الشرفة الخلفية وليس في هاتفك)، ولا تزال العلبة تحتوي على الليثيوم، ومسار إعادة التدوير غير واضح.

وعلى هذا النحو، لم يعتمد سوى عدد قليل من الناس بطاريات الليثيوم والحديد والفوسفات، مما يجعل من الصعب معرفة مدى جودة معدل إعادة تدويرها. يؤكد بعض الباحثين أنه من الأسهل تقسيمها إلى أجزاء مكونة.

كبريت الليثيوم

ويراهن بعض الخبراء على تخزين طاقة الليثيوم والكبريت لتحل محل أيون الليثيوم لأن البطاريات تميل إلى أن تكون أخف وزنا وأكثر كثافة في استخدام الطاقة. كما أن الكبريت متوفر بكثرة وأرخص.

ما الفرق بين كيفية عمل بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الليثيوم والكبريت؟ الأستاذة ليندا نزار، الذي كان مختبره في جامعة واترلو الكندية يدرس بطاريات الليثيوم والكبريت على مدى السنوات العشر الماضية، يستخدم تشبيه مرآب السيارات لوصف الاختلافات. في حين أن شحن وتفريغ بطارية ليثيوم أيون يشبه قيادة السيارات داخل وخارج مرآب السيارات، فإن تعمل بطارية الليثيوم والكبريت على "تدمير هيكل مرآب السيارات بالكامل ثم إعادة بنائه عند إعادة الشحن الخلية."

التفاعل الكيميائي يشبه ما يحدث في بطارية الرصاص الحمضية حيث يحدث تحول هيكلي وكيميائي كامل. تتمتع بطاريات "التحويل" هذه بمزاياها وتحدياتها الخاصة. يقول نزار: "إنهم يتمتعون بميزة القدرة على تخزين المزيد من الإلكترونات". من ناحية أخرى، يتمتع الكبريت بموصلية منخفضة نسبيًا ويتغير حجم البطاريات بعد التفريغ. يقوم الفريق في مختبر جامعة واترلو بتعديل المكونات الموجودة في البطارية لزيادة عمر الدورة وتحسين تفاعلات البطارية. إذا تم حل بعض التحديات التي تواجه البطارية، فإن نزار يتصور أن يتم استخدامها في الطيران وكذلك الطائرات بدون طيار. ال طائرات زفير والطائرات بدون طيار، التي قامت ببعض الرحلات الطويلة التي تعمل بالطاقة الكهربائية، تعتمد في كثير من الأحيان على بطاريات الليثيوم والكبريت.

أيون الصوديوم

كما اتضح، فإن عنصر الجدول الدوري الضار جدًا لقلبك مفيد جدًا للبطاريات. بدأت الأبحاث في مجال بطاريات أيونات الصوديوم في السبعينيات، في نفس الوقت تقريبًا الذي بدأ فيه تخزين طاقة أيونات الليثيوم. العنصران متجاوران في الجدول الدوري. ثم انطلق أيون الليثيوم، واعتبر أيون الصوديوم أيضًا أقل نشاطًا على مدار العقود الثلاثة التالية.

يقول نزار، الذي يعمل مختبره أيضًا على تخزين الطاقة المعتمدة على الصوديوم: "يبدو أنه أفضل شيء موجود". "تمنح بطاريات أيونات الصوديوم المرء إمكانية العمل مع عناصر متوفرة بكثرة في الأرض - أقطاب كهربائية موجبة مصنوعة من أشياء مثل الحديد والمنغنيز والتيتانيوم - عناصر ذات تكلفة أقل بكثير. لكن جعل هذه الكيمياء تعمل بشكل جيد يمثل تحديًا لأنها ليست مثل الليثيوم.

ويشير نزار إلى أن بعض الشركات لا تعتقد أن الاستثمار في بطاريات أيون الصوديوم أمر يستحق لأن تكلفة بطاريات أيون الليثيوم تنخفض طوال الوقت.

وتقول: "أعتقد أن الأمر يستحق استثمار الكثير من الموارد في بطاريات أيونات الصوديوم". "إذا كانت هناك لحظة هاك حيث تعمل بطاريات أيونات الصوديوم بشكل جيد، مع كثافة طاقة عالية، فسيكون ذلك خطوة كبيرة إلى الأمام."

سكر

صدق أو لا تصدق، يمكنك تشغيل بطارية بالسكر مثل طفل صغير يقفز على كرات الكيك. نشرت شركة سوني لأول مرة بحثًا حول التفاعل الذي تتم فيه أكسدة المالتوديكسترين لإنتاج الطاقة في عام 2007. على الرغم من أن توافر المواد وصديقة البيئة لبطاريات السكر أعلى بكثير من بطاريات الليثيوم أيون، إلا أن الجهد الناتج عن تفاعلها الكيميائي أقل بشكل ملحوظ. لذا، ربما سترغب في تأجيل إطعام سيارة تسلا الخاصة بك بعلبة من التوت المقرمش.

على الرغم من أن المفهوم الأصلي ظهر لأول مرة في عام 2007، إلا أن بطارية السكر المفهوم لا يزال لديه بعض العصير المتبقي فيه. في عام 2016، قام فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بقيادة البروفيسور مايكل سترانو بإنشاء جهاز يسمى موجة الطاقة الحرارية، وهي أكثر كفاءة بكثير من تجسيدات بطاريات السكر السابقة ويمكنها تشغيل مصابيح LED التجارية ضوء. يعد هذا تطورًا مثيرًا لأن السكر متوفر بكثرة، لذا إذا تمكنا من اكتشاف طريقة قابلة للتطبيق لإنتاج هذه البطاريات، فمن المفترض أن نتمكن من توسيع نطاق هذه التكنولوجيا بسرعة. لسوء الحظ، من المحتمل أن يكون التوفر التجاري على بعد عدة سنوات.

تدفق

يتم تصميم بطارية التدفق بشكل مختلف عن معظم البطاريات الأخرى: فبدلاً من تجميع مجموعة من المواد التفاعلية معًا في وحدة واحدة (كما تفعل البطاريات العادية)، تقوم بطاريات التدفق بتخزين السوائل التفاعلية في حاويات منفصلة ثم تضخها إلى النظام لتكوينها طاقة. كما أنها ضخمة ومصممة لتخزين طاقة الشبكة، وليس للإلكترونيات والأشياء التي يمكن وضعها بشكل مريح في راحة يدك.

الأصلي بطارية التدفق يقال إن وزنه 1000 رطل وتم اختراعه في أواخر القرن التاسع عشر لتشغيله بذكاء المنطاد الفرنسي اسمه "لا فرانس". لقد تضاءل الاهتمام بتخزين الطاقة المعياري وتضاءل منذ ذلك الحين ثم.

"أعتقد أن ما يدفع حقًا إلى الانفجار والاهتمام ببطاريات التدفق لا يتعلق بصنع الجيل التالي من البطاريات يقول تيموثي كوك، أستاذ الكيمياء بجامعة الجاموس. لذا، ما لم تكن تصنع هاتفًا خلويًا يعمل بنظام Steampunk، فمن غير المرجح أنك ستحمل معك أي بطاريات تدفق يتم تنشيطها باستخدام مضخات مجهرية. ومع ذلك، مع قيام المزيد من المنازل بتثبيت الطاقة الشمسية، فإن سوق تخزين "الطاقة الشخصية" سوف ينمو.

في حين أن جعل بطاريات الليثيوم أيون أكثر قوة يعني زيادة حجم البطارية وتصميمها تتيح بطاريات التدفق زيادة الطاقة عن طريق زيادة حجم السائل الخزانات. قامت شركة San Diego Power and Electric مؤخرًا بتركيب واحدة يمكنها توفير الطاقة 1000 منزل.

"ليس عليك تغيير أي من أبعاد الغشاء [حيث يحدث التفاعل الكيميائي]، كل ما عليك هو القيام بذلك "لتدفق كمية أكبر من السائل من خلاله لفترة أطول ويمكنك استخراج تلك الطاقة للخارج". يطبخ. "لذا، من الأسهل كثيرًا توسيع النطاق أو تقليصه أو يمكنك تخصيصه بشكل أساسي حسب التثبيت."

تحتوي بطاريات التدفق أيضًا على دورات شحن أكثر بكثير من معظم البطاريات. إن القدرة على استبدال السوائل أو استبدال الأجزاء المعيارية الأخرى تعني أن العمر المحتمل للبطارية يكاد يكون غير محدد.

على الرغم من أن الشركات تبيع حاليًا بطاريات التدفق ذات الحجم الصناعي، إلا أن البروفيسور كوك لا يتوقع قبولًا واسع النطاق لمدة خمس إلى عشر سنوات أخرى. حتى أنه يتخيل يومًا قد تستخدم فيه السيارات الكهربائية هذه التكنولوجيا. يصف كوك سيارة تتوقف عند "محطة وقود"، حيث تقوم بتفريغ الإلكتروليت المستهلك، ثم إعادة تعبئته بآخر مشحون حديثًا. بدلاً من الانتظار لمدة نصف ساعة حتى يتم إعادة تشغيل سيارتك، يمكن أن تدور العجلات مرة أخرى في غضون دقائق. ولكن، بطبيعة الحال، فإن هذا المستقبل هو على الطريق الصحيح.

ورق

إن صنع بطارية من الورق له العديد من المزايا: فهو رقيق، ومرن، وقابل للتحلل إذا تم تصنيعه بالمواد المناسبة. قام فريق من جامعة ستانفورد بتطوير بطاريات ورقية مبكرة عن طريق طلاء صفائح رقيقة بحبر مشبع بالكربون والفضة. وفي الآونة الأخيرة، أصبح رؤساء البيئة متحمسين بشأن البطاريات التي يتم تطويرها في جامعة بينجهامتون. لقد صنع البروفيسور Seokheun "Sean" Choi بعض التجسيدات المختلفة له، بما في ذلك واحد يعمل بالبصق - أو بشكل أكثر علمية، اللعاب البشري - وآخر مدعوم من البكتيريا. يستخدم التجسيد الحديث للبطارية الحيوية التي طورها تشوي والبروفيسور أوموونمي صادق بولي حمض (الأميك) والبولي (ثنائي هيدريد البيرومليتي-ب-فينيلينديامين) لصنع مصادر الطاقة قابلة للتحلل.

وقال تشوي عندما تم ابتكار هذا الابتكار: "لقد أظهرت بطاريتنا الورقية الهجينة نسبة طاقة إلى تكلفة أعلى بكثير من جميع البطاريات الميكروبية الورقية التي تم الإبلاغ عنها سابقًا". تم الإعلان عن. على الرغم من أن الاستخدام التجاري لهذه البطاريات الورقية الصديقة للبيئة كان محدودًا نظرًا لانخفاض إنتاجها الكهربائي (يمكن للمرء تشغيل مصباح LED حوالي 20 دقيقة)، ويأمل الباحثون في رؤيتها تستخدم في الإلكترونيات، والأجهزة اللاسلكية، والتطبيقات الطبية مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب، والطائرات، وغيرها سيارات. وقد كتب تشوي ورقة بحثية حول استخدامها كمصادر طاقة أحادية الاستخدام لأدوات التشخيص في نقاط الرعاية في البلدان النامية حيث قد لا تكون البطاريات متاحة بسهولة.

هواء

يمكن أن يكون الهواء كهربائيًا في الواقع، وليس فقط في تلك اللحظة التي تفرقع فيها ياقتك بعد أن تنطلق نغمة لفيل كولينز من مكبرات الصوت الخاصة بسيارتك الفيراري. بطاريات الزنك الهواء، وهي في حجم حلوى Smarties تقريبًا وتدعمها التفاعل بين الأكسجين والزنك، وقد تم استخدامها في أدوات السمع لسنوات عديدة. كما أن الزنك رخيص الثمن ومتوفر بكثرة، مما يجعل هذه التكنولوجيا اقتصادية وصديقة للبيئة.

ولكن هناك قيود عند محاولة صنع هذه التقنية قابلة للشحن. يمكن أن تتشكل بلورات التغصنات أثناء الشحن وتؤدي إلى نفاذ البطارية. وقد تم اختبار طرق لاستبدال الزنك، مثل "إعادة شحن البطارية ميكانيكيا" عن طريق استبدال المواد فعليا، وهو النهج الذي تم تجربته في الحافلات الكهربائية في سنغافورة. تمت تجربة العديد من التجارب الأخرى باستخدام بطاريات الليثيوم-الهواء والهواء المعدني بدرجات متفاوتة من كثافة الطاقة ومستوى الطاقة والتكلفة. على مدى العقد الماضي، قدمت تسلا العديد من براءات الاختراع المتعلقة بالشحن بطاريات الليثيوم الهواء، لذا فإن إمكاناتها قد تكون أبعد بكثير من معيناتك السمعية.

حديد

قبل بضع سنوات، بدأ بيتر ألين، أستاذ الكيمياء بجامعة أيداهو، بالتعبير عن افتتانه بعلم البطاريات على موقع YouTube. وعلى الفور تقريبًا، وجد أن المشاهدين يستجيبون حقًا لمواد البطارية، مما ألهمه لبناء بطارية حديدية قابلة لإعادة الشحن كعرض تعليمي. وقد أدى هذا المشروع إلى إنتاج أكثر من 100 مقطع فيديو توضيحي يشرح الخطوات والمشاكل والدروس المستفادة من مشروع البطارية التعليمية.

"لا أريد أن أطرح نفسي كخبير في البطاريات، في حد ذاته"، يعترف البروفيسور، الذي مجال خبرته هو الكيمياء البيولوجية. أثناء قيامه بمقاطع الفيديو على YouTube، أدرك أن هناك الكثير مما يمكن تعلمه وتعلمه من خلال بناء بطارية رخيصة الثمن يمكنك صنعها بنفسك.

"لقد كانت أجزاء من تكنولوجيا البطاريات الحديدية موجودة منذ 100 عام، لذلك أعتقد أن الكثير من الأشخاص الذين قد يتوصلون إلى هذا الأمر لديهم يقول: "قد يقول الكثير من المعرفة الأجنبية: "حسنًا، هذه أرض ممهدة - لا يوجد شيء يمكن العثور عليه هناك". "لكن كوني ساذجًا بعض الشيء، دخلت فيه وقلت: حسنًا، دعنا نجربه، يمكنك العثور على شيء مثير للاهتمام على أي حال".

وبعد عامين، حصل ألين على أكثر من 30 نوعًا مختلفًا من البطاريات، والكثير من المساعدة من الطلاب الجامعيين تعلمت كيفية تحقيق التوازن بين المواد السائلة والصلبة لخلق كمية مثالية من كثافة الطاقة ولكن مع انخفاض قوة.

"ثم وصلنا إلى هذا السؤال برمته: "إذا كان لديك كيمياء تعمل، ولكنها تعمل ببطء، فكيف يمكنك تسريعها؟"

حتى لو نجح الفريق في حل هذا التحدي، فإن التكنولوجيا الحالية تملي أن أفضل التطبيقات لبطارية الحديد ستكون على الأرجح وحدة تخزين طاقة الشبكة الصغيرة المجاورة أو التقاط طاقة المزرعة الشمسية، نظرًا للمساحة المطلوبة وسرعة الطاقة المرسلة من وحدة.

من سيفوز؟

هل ستكون بطارية ألين الحديدية قابلة للتطبيق تجاريًا؟ وهو غير متأكد من أن النتائج التي توصل إليها فريقه الحالي، والتي تم نشرها في مجلة علمية، ستوصلهم إلى هناك.

وبعد مراجعة العديد من اختراعات البطاريات، أدرك أن عددًا قليلًا منها فقط هو الذي سيصل إلى السوق بالفعل. ويوضح أنه في البحث العلمي هناك "وادي الموت".

يقول: "لديك البحث الأساسي الذي يتوصل إلى شيء رائع حقًا". "هناك سؤال حول ما إذا كان من الممكن تسويقه. وليس هناك مال لطرح هذا السؤال. الباحثون الذين يجدون ما يكفي من المال للإجابة على هذا السؤال الأولي، إذا كانوا محظوظين، سيجدون مستثمرين يرغبون في تحسين الفكرة وتسويقها تجاريًا. "ولكن هناك فجوة بين الأبحاث الأساسية والتحسين الضروري لتسويق البطاريات تجاريًا."

في عام 2019، غرق أصحاب رؤوس الأموال الاستثمارية 1.7 مليار دولار في شركات البطاريات الناشئة، حيث يذهب 1.4 مليار منها إلى الأبحاث المتعلقة بأيون الليثيوم. لكن بطاريات التدفق، والزنك والهواء، والمعادن السائلة، والعديد من التقنيات الأخرى حصلت أيضًا على شيكات مكتوبة. في حين أنه من المرجح أن يهيمن تخزين طاقة أيونات الليثيوم على تخزين الطاقة لمدة 10 سنوات أخرى على الأقل، يبدو أن العديد من الآخرين سيشقون طريقهم للخروج من وادي الموت.

توصيات المحررين

• مستقبل الاستدامة: نظرة على التطور القادم للتكنولوجيا البيئية
• وبعد عقود، فاز مخترعو بطارية الليثيوم أيون بجائزة نوبل في الكيمياء
• ابتكر المهندسون نوعًا جديدًا من بطاريات الليثيوم التي لا تنفجر