طور الباحثون تقنية جديدة قد تسدل الستار على معضلة ارتفاع تكلفة بطاريات السيارات الكهربائية؛ بل تعزّز خصائصها الصديقة للبيئة.
واستكشف الباحثون من معهد سكولتيك (Skoltech) الخاص للعلوم والتكنولوجيا في العاصمة الروسية موسكو مواد جديدة محتملة لاستعمالها عنصر أنود في البطاريات.
والأنود هو أحد قطبي البطارية، ويؤدي دورًا حيويًا في المعدات والأجهزة الكهربائية، بما في ذلك السيارات الكهربائية.
واعتمد الباحثون على المواد الهيدروكربونية العطرية المتعددة الحلقات (PAHs) في تصنيع أنودات قد تنهي الاعتماد الكلي على الغرافيت المستعمَل حاليًا، في المستقبل، وفق متابعات القطاع لدى منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن).
وفي التقنية الجديدة حوّل العلماء المواد الهيدروكربونية العطرية المتعددة الحلقات إلى بلورات استُعمِلت بعد ذلك لتشغيل بطاريات السيارات الكهربائية، وكانت نتائج البحث مبشرةً للغاية.
ولا تتسم التقنية الجديدة برخص التكلفة فحسب، بل تتيح سعة تخزين كهرباء عالية أيضًا.
نهاية الاعتماد على الغرافيت
تَستعمِل بطاريات الأيونات المعدنية، مثل بطاريات الليثيوم أيون، حاليًا الغرافيت مادة أنود رئيسة؛ غير أن هناك عيوبًا عديدة ما تزال تقترن باستعمال هذا المعدن مثل السعة المنخفضة والتكلفة المرتفعة.
ومن شأن تلك العيوب أن تقيد الوقت التشغيلي لأجهزة الهواتف والحاسوب، وغيرها من المعدات الأخرى، وفق تفاصيل تابعتها منصة الطاقة المتخصصة.
كما أن معدن الغرافيت الصناعي هو منتَج قائم على النفط؛ ويُسخّن في أفران عاملة بالفحم؛ ما تنتُج عنه كميات هائلة من الانبعاثات الكربونية.
ونظرًا إلى رخص تكلفة استعمال المواد الهيدروكربونية العطرية المتعددة الحلقات، مقارنةً بعنصر الغرافيت، فإنها من الممكن أن تساعد في نشر السيارات الكهربائية على نطاق واسع.
وتُنتج الهيدروكربونات العطرية المتعددة الحلقات من احتراق المواد العضوية عند درجات حرارة منخفضة أو التحلل الحراري لتلك المواد.
المواد الهيدروكربونية العطرية
استكشف الباحثون في معهد سكولتيك آفاق استعمال المواد الهيدروكربونية العطرية المتعددة الحلقات في تصنيع الأنود ببطاريات الأيونات المعدنية، وفق دراسة حديثة نشرتها دورية "ذا إنرجي ستوريج (the Journal of Energy Storage).
وتجعل السعة المرتفعة وفرق الجهد العامل المنخفض والموصلية الإلكترونية العالية للمركبات المصنعة من الكربون، المواد الهيدروكربونية مواد واعدةً من حيث استعمالها في الأنود.
وتفتح نتائج الدراسة آفاقًا لتصنيع مواد أنود أرخص تكلفةً، بل أعلى من حيث السعة التخزينية.
شرط الـ3 آلاف درجة مئوية
لإنتاج بطاريات الأيونات المعدنية، يتعين حرق المادة الخام عند درجة حرارة تصل إلى نحو 3 آلاف درجة مئوية، وفق معلومات طالعتها منصة الطاقة المتخصصة.
وقال الباحث في مركز سكولتيك لتحول الطاقة، المؤلف الرئيس للدراسة، إيليا تشيبكاسوف: "على مدى السنوات القليلة الماضية، يتطلع العلماء بقوة إلى تصنيع أقطاب أنود من مواد عضوية مثل الهيدروكربونات العطرية المتعددة الحلقات".
وأضاف تشيبكاسوف: "إنها أرخص وأكثر سعة من الغرافيت؛ وفي عملنا الجديد استعملنا 4 هيدروكربونات عطرية متعددة هي النفثالين، والأنثراسين، والتيتراسين، والبنتاسين".
وتابع: "كما دمجنا ذرات مختلفة (الليثيوم، والصوديوم، والكالسيوم، والمغنيسيوم، والروبيديوم، والبوتاسيوم)؛ وكل تلك المعادن تُستعمَل في بطاريات الأيونات المعدنية".
وتركز الدراسة بصورة رئيسة على تداخل ذرات المعادن القلوية والقلوية الترابية (الليثيوم، والصوديوم، والبوتاسيوم، والروبيديوم، والمغنيسيوم، والكالسيوم) في البنية البلورية للمركبات العطرية المتعددة الحلقات.
تفاعلات فان دير فالس
فحص الباحثون إستراتيجيات مختلفة لتصحيح تفاعلات "فان دير فالس" التي تؤثر في دقة الحسابات المتعلقة بطاقة تداخل المعدن في بلورات الهيدروكربونات العطرية المتعددة الحلقات.
وتفاعلات "فان دير فالس" هي قوى جذب ضعيفة بين الجزيئات والذرات تحدث بسبب التفاعلات الكهربائية بينها.
وقال البروفيسور والمؤلف المشارك للدراسة أليكسندر كفاشين من مركز سكولتيك لتحول الطاقة: "خلصنا إلى أن سعة بلورات الهيدروكربونات العطرية المتعددة الحلقات مع المعادن كافّة تتجاوز بدرجة كبيرة القيم المعيارية لقطب كهربائي مصنع من الغرافيت".
وأضاف كفاشين: "فعلى سبيل المثال تزيد سعة معادن الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم والروبيديوم على نظيرتها الخاصة بالغرافيت بمعدل يتراوح بين 1.2 و1.3 مرة"، وفق تصريحات تابعتها منصة الطاقة المتخصصة.
وتابع: "ومع إضافة المغنيسيوم والكالسيوم، ترتفع هذه القيمة إلى قيم أعلى، بمعدل يتراوح بين 2.3 و2.6 مرة".
وبمقدور الهيدروكربونات العطرية المتعددة الحلقات تعزيز كثافة استهلاك الكهرباء في البطاريات، وخفض الحاجة إلى استعمال المعادن ذات الوفرة المحدودة مثل الليثيوم، وتقليل التشوه الحجمي للأقطاب الكهربائية، إلى جانب ضمان تفاعل سريع بين شحن البطارية وتفريغها.
موضوعات متعلقة..
اقرأ أيضًا..
المصدر:
1.تصنيع بطاريات السيارات الكهربائية رخيصة التكلفة، من دراسة نشرتها دورية "ذي إنرجي ستوريج".
