بطارية ذاتية الإصلاح وصديقة للبيئة.. تمكنك من قيادة سيارتك الكهربائية مسافات أطول دون الحاجة إلى شحن

تخيل أنك تقود سيارتك الكهربائية الجديدة على أحد الطرق السريعة، تسير بسرعة، ومحطات الشحن نادرة.

تتسلل إليك ذكريات قلق المسافة، لكنك تدرك بعد ذلك أن سيارتك مزودة ببطارية كهربائية جديدة كليًا، مصممة خصيصًا لقطع مسافات طويلة دون الحاجة إلى الشحن المتكرر، وعندما تضطر إلى التوقف، يستغرق الشحن وقتًا أقل بكثير.

مع وضع هذا في الاعتبار، واليقين بأن البطاريات الجديدة صديقة للبيئة أيضًا، يمكنك الاسترخاء في مقعدك ومواصلة القيادة بثقة.

مزيد من القوة في كل “قطرة”

يستثمر الاتحاد الأوروبي في إنتاج بطاريات جديدة للسيارات الكهربائية تلبي احتياجات مستخدمي السيارات الكهربائية في المستقبل، من بطاريات أكثر استدامةً وأقل تكلفةً وكفاءةً، الهدف هو أن يختار أكبر عدد ممكن من الناس الشراء والقيادة مع مراعاة الاستدامة.

نيلز بيتر فاجنر، باحث علمي أول في SINTEF، يُنسّق العمل في مشروع IntelLiGent التابع للاتحاد الأوروبي، يقول إن الباحثين في المشروع أجروا تجارب على مواد ومكونات متطورة لتحسين البطاريات.

يوضح “بطرق عديدة، يمكننا القول إننا ابتكرنا “وصفة” لتكنولوجيا البطاريات المستقبلية باختيارنا بعضًا من أفضل المواد الخام وأرخصها وأقلها ضررًا بالبيئة، لقد دققنا النظر في كل تفاصيل خلايا البطارية”.

القوى العظمى والمكونات السرية

تخيل البطارية كشطيرة: في أعلاها يوجد كاثود، يستخدم الكاثود مادة IntelLiGent LNMO، وهي اختصار لأكسيد الليثيوم والنيكل والمنغنيز، هذه المادة خالية من الكوبالت وتحتوي على كميات أقل من الليثيوم والنيكل مقارنةً بالمواد المستخدمة في بطاريات اليوم.

تُعتبر هذه المواد جميعها مواد خام أساسية، وبالتالي، فإن البطاريات التي تستخدم مكونات الباحثين البديلة تُحدث بصمة بيئية أقل.

توفر مادة الكاثود LNMO جهدًا متوسطًا عاليًا دون أي خلل. كما تتميز بكثافة طاقة عالية ، مما يعني أنها قادرة على توليد المزيد من الطاقة بحجم أصغر، مما يمنح البطارية مدىً أطول، كما يقول فاغنر.

ومع ذلك، واجه الباحثون بعض التحديات، منها صعوبة تطوير هذه المادة، ما أدى إلى تقصير عمرها الافتراضي.

توفر أداءً وسعة أفضل للبطاريات

وقد حسّن الباحثون هذا الوضع بتطوير جيل جديد من كاثودات LNMO، التي توفر أداءً وسعة أفضل للبطاريات، وفقًا للباحث.

في أسفل البطارية، نجد القطب الموجب، تُصنع البطاريات الجديدة من مركب يتكون من السيليكون والجرافيت.

يمتص السيليكون عددًا أكبر من أيونات الليثيوم، مما يوفر طاقة أكبر، بينما يوفر الجرافيت المتانة والثبات، مما يطيل عمر البطارية.

يُعدّ كلٌّ من السيليكون والجرافيت مادتين خامّتين أساسيتين. تُنتَج بطاريات IntelLiGent المركبة من السيليكون والجرافيت بواسطة شركة Vianode في النرويج، مما يُتيح إنتاج موادّ ذات انبعاثات واستهلاك أقلّ للموارد.

حل مشكلة المتابعة

تلعب هذه الأنودات عالية السعة والموفرة للطاقة دورًا حاسمًا في تحسين أداء البطارية، ومع ذلك، تنتفخ أنودات السيليكون بشكل كبير أثناء الشحن والتفريغ، مما قد يؤدي إلى تحلل المادة.

كما يقول فاجنر: وقد حللنا هذه المشكلة باستغلال استقرار الجرافيت، مما يضمن للبطاريات أفضل متانة وعمر افتراضي ممكنين.

يعمل فريق البحث أيضًا على تطوير “خلطة سرية”:

– إلكتروليت خاص يحمي الأنود والكاثود في البطاريات، مما يجعلها أكثر استقرارًا ويدوم لفترة أطول.

كما يقول فاجنر، أكملنا مؤخرًا تطوير الإلكتروليت واختبرناه في نموذج أولي من الجيل الأول، والآن، سلطنا الضوء على الجيل الثاني من الخلايا النموذجية، التي ستوفر كثافة طاقة أعلى وتستخدم خلايا أكبر، وهذا بدوره سيعزز أداء وكفاءة البطاريات.

– يعمل الغراء الفائق على إصلاح الأضرار البسيطة على طول الطريق

– كما عمل المشروع على بنية البطارية نفسها، بمعنى آخر، كيفية بناء الأقطاب الكهربائية وكيفية تجميع البطارية، وهو ما سيزيد من كثافة الطاقة وقدرة الشحن.

يقول الباحث في SINTEF “إن أحد تأثيرات كثافة الطاقة العالية هو أن البطارية قد تصبح ساخنة للغاية، لذلك نحتاج إلى التأكد من أن الهيكل لا يسمح للحرارة بالتراكم داخل البطارية”.

للحفاظ على التماسك، يستخدم الباحثون أيضًا مواد رابطة وفواصل خاصة، هذه الأجزاء ليست عناصر مساعدة سلبية، بل مكونات فعّالة يمكنها إصلاح أي تلف طفيف أثناء العملية.

بينما تساعد المواد الرابطة في الحفاظ على بنية القطب، تضمن الفواصل بقاء الأقطاب الكهربائية منفصلة ماديًا، مما يمنع حدوث قصر في الدوائر الكهربائية.

ويقول “تسمح المواد الرابطة والفواصل للبطاريات بحماية وإصلاح نفسها، مما يساعد بدوره على إطالة عمرها الافتراضي.”

مسار اختبار افتراضي

لفهم سلوك خلايا البطارية بشكل أفضل، يستخدم الباحثون أساليب تحليل ونمذجة متقدمة. وهذا يوفر إجابات مفيدة حول كيفية تحسين التصميم.

باستخدام أساليب فحص فائقة السرعة وأدوات نمذجة، يستكشف الباحثون الإمكانيات المتاحة، باحثين عن أكثر الحلول مراعاةً للبيئة، بما في ذلك اختبار البطاريات في العالم الرقمي.

باستخدام أداة برمجية طُوّرت في SINTEF، يمكن للباحثين اختبار أداء البطاريات، بهذه الطريقة، يوفرون الوقت ويعززون الثقة بأن التقنية تعمل كما ينبغي.

من المختبر إلى السوق

يُجرى العمل في IntelLiGent بالتعاون مع جهات فاعلة رئيسية على طول سلسلة القيمة، من المصنّعين إلى الموردين والمستخدمين النهائيين. الهدف هو الوصول إلى أفضل ” وصفة بطارية ” ممكنة.

لدى فريق المشروع خطة مفصلة لكيفية طرح هذه التقنية في السوق. ويعملون حاليًا على بدء إنتاج الأقطاب الكهربائية على نطاق واسع، وتحسين بروتوكولات الإنتاج والاختبار.

كما سيُنتجون نموذجًا تجريبيًا للتحقق من أداء البطاريات وسلامتها ومتانتها كما ينبغي.

نحو مستقبل أكثر اخضرارًا على الطريق

ويقول فاجنر “إننا نقوم بتقييم العواقب البيئية والاقتصادية والاجتماعية ومقارنة التكنولوجيا الجديدة بالحلول الحالية”.

وبحسب الباحثين، يمهد هذا المشروع التابع للاتحاد الأوروبي الطريق لمستقبل أكثر خضرة للسيارات، مع بطاريات أكثر قوة وأكثر كفاءة وأقل ضررا بالكوكب.

يقول باحث من SINTEF: “ستمكنك هذه البطاريات من قيادة سيارتك الكهربائية لمسافات أطول دون الحاجة إلى شحن، وستتمكن من شحنها بشكل أسرع، وبصفتك فردًا، ستساهم أيضًا في تقليل البصمة الكربونية”.