من التحديات التي تواجه صناعة السيارات الكهربائية إمداد البطارية. في شهر مايو من هذا العام، صرح مدير التوريد العالمي لشركة Tesla أن الشركة تخطط لـ نقص من مواد البطارية الرئيسية. يعمل صانعو السيارات على التكامل عموديا تصنيع البطاريات في أعمالهم لضمان حصولهم على البطاريات عند الحاجة.
محتويات
- التكنولوجيا القديمة تحصل على غرض جديد
- ميزة رقائق السيليكون
- تحسين كثافة الطاقة والقدرة
- نمو أقل للتغصنات لعمر بطارية أطول
- تقليل وقت إعادة الشحن ومدى أطول
- متى سنراه؟
ويحدث هذا إلى حد كبير لأن بطاريات الليثيوم أيون هي المعيار للخلايا القابلة لإعادة الشحن. يتم استخدامها في كل شيء بدءًا من الكاميرات والهواتف وحتى المركبات الكهربائية. بالإضافة إلى كونها باهظة الثمن وتعتمد على الموارد النادرة، فإن بطاريات الليثيوم أيون تحمل خطر ارتفاع درجة الحرارة واشتعال النيران أو حتى انفجار. لهذا الخطوط الجوية لا تريد هذه البطاريات في عنابر الشحن الخاصة بهم. علاوة على ذلك، فإن بناء مصانع جديدة لإنتاج بطاريات الليثيوم أيون أمر مكلف ويستغرق وقتًا طويلاً. استثمرت تسلا 5 مليارات دولار في ولاية نيفادا جيجا فاكتوري لإنتاج بطاريات للطراز 3 داخليًا. قدرة تسلا هي في
حوالي 24 جيجاوات ساعة اليوم، وما يصل إلى 35 جيجاواط ساعة عند اكتماله في العام المقبل.مقاطع الفيديو الموصى بها
ما نحتاجه هو بنية بطارية جديدة يسهل صنعها. من الناحية المثالية، سيكون للتصميم الجديد للبطارية كثافة طاقة أعلى ووقت إعادة شحن أسرع لجعلها مثالية لاستخدام السيارة.
أنت تعرف بالفعل ما سيأتي بعد ذلك: شركة تسمى XNRGI ويقول مقرهم بالقرب من بورتلاند بولاية أوريغون إن لديهم الجواب. وهذا ليس بالأمر غير المألوف في حد ذاته. ادعى العديد من الأشخاص أنهم يمتلكون بطارية معجزة، ولكن يبدو أنهم يقولون دائمًا أنهم لا يستطيعون إخبارك عنها بعد.
الفرق مع XNRGI هو أنهم حصلوا على مجموعة من براءات الاختراع المنشورة المرتبطة مباشرة بتكنولوجيا بطاريات Powerchip الخاصة بهم، وقد تقدموا بطلبات للحصول على المزيد منها. كما تلقت الشركة أيضًا تمويلًا من وزارة الطاقة الأمريكية لأبحاثها. مع توفير حماية براءات الاختراع والتمويل، تحرص XNRGI على إخبار العالم بما لديها.
وقال كريس ديكوتو، الرئيس التنفيذي لشركة XNRGI: "نعتقد أنه يمكننا الآن معالجة جميع المشكلات المتعلقة ببطاريات الليثيوم أيون في وقت واحد".
التكنولوجيا القديمة تحصل على غرض جديد
يتمثل الاختلاف الرئيسي بين بطارية الليثيوم أيون التقليدية وبطارية XNRGI Powerchip في تركيبتها. حيث تستخدم بطاريات الليثيوم أيون التقليدية ملاط الجرافيت على موصل ثنائي الأبعاد كمواد بناء، تستخدم بطارية XNRGI معدن الليثيوم في رقاقة سيليكون مسامية ثلاثية الأبعاد. لا يوجد شيء جديد أو مختلف بشأن الرقائق؛ إنها نفس الأقراص التي تم تصنيعها على مدى عقود من قبل صناعة أشباه الموصلات.
وقال D'Couto: "إننا نتخذ خطوات مثبتة لتصنيع الرقائق ونطبقها على هذه البطارية". "نحن نأخذ شيئا من صناعة واحدة ونطبقه على صناعة أخرى. نحن لا نخترع أي شيء على هذه الجبهة. يمكننا شراء الرقائق، لذلك ليس لدينا استثمار رأسمالي كبير في المصنع”.
أفضل ما في الأمر هو أن بطاريات XNRGI مصنوعة من رقائق قديمة وسميكة لم تعد مطلوبة. توجد بالفعل بنية تحتية عالمية لتصنيع هذه الرقائق بسعر رخيص وبكميات كبيرة.
ميزة رقائق السيليكون
تعتمد ميزة استخدام رقائق السيليكون لبناء بطارية على عملية أخرى راسخة لأشباه الموصلات. يستخدم تصميم XNRGI رقائق مثقوبة لإنشاء سطح يشبه الوافل. يمكن لكل قرص سيليكون مقاس 12 بوصة أن يحمل ما يصل إلى 160 مليون مسام مجهرية. ثم يتم تغليف الرقائق بسطح غير موصل على جانب واحد. أما الجانب الآخر من الرقاقة فهو مطلي بمعدن موصل لتحمل التيار الكهربائي.
وقال D’Couto: “إن الطلاءات المعدنية التي نستخدمها مأخوذة من صناعة الرقائق، والطلاءات العازلة مأخوذة من صناعة الرقائق وتستخدم هنا. نحن لا نخترع أي شيء على الجانب العملية.
XNRGI - بطارية PowerChip
تعمل الطبيعة المسامية للرقاقة على زيادة المساحة السطحية الإجمالية للبطارية بما يصل إلى 70 مرة مقارنة بالسطح ثنائي الأبعاد. يتم فصل كل مسام فعليًا عن جيرانه، مما يساعد على التخلص من الدوائر القصيرة الداخلية ويساعد البطارية على مقاومة التدهور بمرور الوقت والاستخدام.
"كل من هذه الثقوب الصغيرة عبارة عن بطارية صغيرة جدًا" ، لاحظ D'Couto. "عندما يفشل أي من هؤلاء بشكل فردي، فإن الفشل لا ينتشر. هذه البنية تجعل البطارية آمنة تمامًا عن طريق منع الهروب الحراري والانفجارات.
تحسين كثافة الطاقة والقدرة
تم تصميم تقنية الرقاقة الخاصة بـ XNRGI لتعمل على جانب الأنود من البطارية. عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل، يكون الأنود مثل دلو من الإلكترونات. أثناء تفريغ البطارية، تتدفق الإلكترونات عبر الدائرة إلى جانب الكاثود من البطارية. عند إعادة شحن البطارية، يتم إعادة ملء دلو الأنود.
"اليوم عندما تتحدث عن بطارية ليثيوم أيون، فهي مصنوعة من الليثيوم مقحم وأوضح D’Couto. "منذ ظهور بطاريات الليثيوم أيون، تم استخدام الجرافيت على جانب الأنود لتوفير مكان لوقوف أيونات الليثيوم للهبوط والإقلاع."
إحدى المزايا الكبيرة لتصميم رقاقة السيليكون المسامية هي أن أنود XNRGI يحتوي على مساحة سطح أكبر بـ 70 مرة من أنود الجرافيت ويستخدم معدن الليثيوم النقي، مما يمنح أنود Powerchip حوالي 10 أضعاف كثافة الطاقة الموجودة في أنودات بطارية أيون الليثيوم.
يقول ديكوتو: "لقد حصلنا على كثافة طاقة أكبر بسبب الزيادة ثلاثية الأبعاد في مساحة السطح".
نمو أقل للتغصنات لعمر بطارية أطول
أحد أسباب تدهور البطاريات القابلة لإعادة الشحن بمرور الوقت هو أنه عندما يمر الأنود بدورات تفريغ وشحن متكررة، فإنه يحصل على تراكم كيميائي على سطح الأنود. يُطلق على هذا التراكم اسم "التغصنات" وهو يشبه الهوابط من الحجر الجيري. يمكن أن تخترق التشعبات في النهاية الفاصل المادي بين الأنود والكاثود وتؤدي إلى قصور البطارية.
وأوضح ديكوتو: "عندما تخترق التغصنات الفاصل، فإنك تحصل على عطل سريع في البطارية".
تحمل أيونات الليثيوم أيضًا مواد أخرى تتراكم مثل الترسبات على الفاصل بين جانبي الأنود والكاثود للبطارية، مما يؤدي بشكل أساسي إلى انسداد البطارية وتقليل الأداء. يقاوم أنود XNRGI تكوين التشعبات ويطيل عمر البطارية بسبب الطبقة غير الموصلة على رقاقة السيليكون. العناصر المحمولة مع أيونات الليثيوم لا تلتصق بهذا السطح وبالتالي لا يمكنها بسهولة تكوين التشعبات أو تراكم اللويحات.
يقدر D'Couto أن بطارية XNRGI Powerchip ستوفر عمر خدمة أطول بثلاث إلى خمس مرات مما يمكن أن تحققه بطارية ليثيوم أيون اليوم.
تقليل وقت إعادة الشحن ومدى أطول
تعني المساحة السطحية المتزايدة داخل Powerchip أنه يمكن للبطارية تفريغها وإعادة شحنها بسرعة أكبر بكثير من خلايا الليثيوم أيون التقليدية. وهذا يعني توفر المزيد من القوة أثناء القيادة. والأهم من ذلك، أنه يعني إعادة شحن أسرع.
وفقًا لـ D’Couto، فإن أنود Powerchip قادر على تحقيق إعادة شحن بنسبة 80% من البطارية الفارغة خلال 15 دقيقة. يتم أيضًا استهداف إعادة الشحن الأكثر شيوعًا بنسبة 10٪ إلى 90٪ لمدة 15 دقيقة. بالإضافة إلى الشحن السريع، تشير تقديرات XNRGI إلى أن بطاريات Powerchip ستزيد من نطاق السيارة الكهربائية بنسبة تصل إلى 280% مقارنةً بحزمة بطاريات الليثيوم أيون التقليدية ذات الوزن نفسه. كمرجع، هذا يعني أن السيارة الكهربائية الحالية التي يبلغ مداها 250 ميلاً (كما فعل الكثيرون) سيكون لها نطاق يبلغ 700 ميل.
كما أن بطارية XNRGI أخف بكثير من خلايا اليوم. ويمكن لشركات صناعة السيارات أن تختار صنع سيارات كهربائية أخف وزنا وأكثر كفاءة، أو وضع المزيد من البطاريات في السيارة لمسافة أطول بالوزن الحالي.
متى سنراه؟
تعمل XNRGI حاليًا مع الشركات التي تستخدم كل أنواع البطاريات بدءًا من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية الصغيرة وحتى شركات صناعة السيارات وحتى المرافق على مستوى الشبكة. وتتوقع الشركة أن يتم الانتهاء من طرح المنتجات الاستهلاكية واتفاقيات الترخيص خلال السنتين إلى الخمس سنوات القادمة اعتمادًا على تطبيق البطارية.
توقع D'Couto: "نتوقع أن يتم استخدام بطارياتنا في منتجات التنقل مثل الدراجات النارية والدراجات البخارية والطائرات بدون طيار والروبوتات والمزيد في عام 2020". "في السيارات الكهربائية، من المحتمل أن يكون ذلك في عام 2022 أو 2023 بكميات محدودة، ثم اعتماد السيارات الكهربائية بكميات كبيرة في عام 2024. وهذا هو المعيار السائد في صناعة السيارات بعد اختباراتها المكثفة."
من المرجح أن يؤدي ظهور تكنولوجيا بطاريات آمنة وسريعة الشحن وطويلة المدى وطويلة المدى إلى تغيير قواعد اللعبة في صناعة السيارات الكهربائية. إذا نظرنا إلى الماضي، فمع بحث العلماء في جميع أنحاء العالم عن تكنولوجيا أفضل للبطاريات، ربما لا ينبغي لنا أن نتفاجأ عندما يكتشفها أحد.
ترقية نمط حياتكتساعد الاتجاهات الرقمية القراء على متابعة عالم التكنولوجيا سريع الخطى من خلال أحدث الأخبار ومراجعات المنتجات الممتعة والمقالات الافتتاحية الثاقبة ونظرات خاطفة فريدة من نوعها.
