منذ أن أصبحت الهواتف المحمولة شائعة ، تزايدت أهمية البطاريات الكهربائية القابلة لإعادة الشحن بشكل مطرد في جميع أنحاء العالم. وفقًا لـ Wikipedia ، في عام 2013 ، كان هناك ما يقدر بنحو 6.8 مليار هاتف محمول مستخدم على مستوى العالم (بما في ذلك الهواتف الذكية) و 97 من كل 100 شخص في العالم يمتلكون هاتفًا محمولًا واحدًا على الأقل. تشمل هذه الأرقام بعض أفقر الناس بيننا. في حين أن عددًا كبيرًا من المستخدمين لا يذهبون إلى أبعد من مجرد إجراء مكالمات صوتية (ورسائل نصية غير متكررة) ، فإن توفر “تطبيقات” (أو تطبيقات) مجانية وممتازة وسهلة الاستخدام (أو تطبيقات) تنمو في تنوعها وعددها يومًا بعد يوم ، تجذب الكثيرين تدريجياً في هذه الفئة ليصبحوا مستخدمي الهواتف المحمولة “الأساسيين”. العديد من الأشخاص الذين يستخدمون أجهزة الكمبيوتر كأجهزة الحوسبة الأساسية الخاصة بهم اليوم ، مدركين أن أجهزة الكمبيوتر ستتخلى عن موقعها المتميز في عالم الحوسبة قريبًا ، بدأوا أيضًا في التحول إلى الهواتف الذكية. من المتوقع أن تؤدي هذه العوامل إلى زيادة بنسبة 35٪ في عدد مستخدمي الهواتف الذكية بحلول عام 2020 (أو 9.2 مليار مستخدم على مستوى العالم).
نظرًا لأن الهواتف الذكية أصبحت أرق وأخف وزنًا وأكثر ذكاءً ، وتستخدم شاشات أكبر وما إلى ذلك ، فإنها أيضًا تستهلك المزيد من الطاقة. وبالتالي ، فإن الحاجة الماسة لبطاريات شحن عالية السعة وفائقة السرعة يمكن إعادة شحنها عدة مرات قبل أن يتم التخلص منها ، من أجل نجاح الهواتف الذكية في المستقبل.
هناك أيضًا تطبيقات مهمة أخرى تعتمد على شحن البطاريات بسرعة من أجل رفاهيتها. أحدهما هو صناعة السيارات الكهربائية (EV) التي تحظى بشعبية كبيرة. يتوقع المستخدمون أن يكون وقت إعادة شحن البطارية مشابهًا للوقت الذي يستغرقه ملء الوقود في محطة وقود اليوم ، أي بحوالي 4-5 دقائق. هناك تطبيق آخر مهم للغاية في الشبكات الذكية – محطات إدارة الطاقة الكهربائية الذكية ، حيث تتم إدارة مدخلات الكهرباء والتدفقات الخارجة للمستخدمين. يلزم وجود بطاريات كبيرة السعة وشحن / استنزاف لتخزين الطاقة الفائضة (كلما تجاوزت المدخلات الطلب) وتحريرها كلما كان هناك عجز. أقل أهمية إلى حد ما ، ومع ذلك ، هي بطاريات الشحن السريع المستخدمة في الساعات الذكية والمنازل الذكية وأجهزة الصحة الشخصية (PHDs).
قبل عامين ، أصبح من الواضح بشكل لا لبس فيه أن بطاريات الليثيوم أيون (أفضل تقنية للبطاريات مستخدمة حاليًا) ستكون غير مناسبة تمامًا للمتطلبات المستقبلية. هناك فجوة واسعة بين تقنية Li-ion والبطارية المتوقعة للمستقبل ، بحيث أصبح من الواضح تمامًا أنه لا يكفي أي شيء أقل من “قفزة نوعية” (أو ثورة) في تكنولوجيا البطاريات. لهذا السبب ، على الرغم من عدم ظهوره في الأخبار بعد ، فقد تم إطلاق بحث محموم ومجنون في العديد من مراكز البحث والتطوير بالجامعات والشركات الرائدة للعثور على تقنية البطارية المتطورة في المستقبل بميزات مثل: وقت الشحن بالترتيب بضع دقائق أو حتى ثوانٍ (واو!) ، ووزن أقل (ينخفض إلى النصف في حالة بطاريات المركبات الكهربائية) ، وقدرة أكبر ، وأمان (لا توجد حرائق كهربائية وانفجارات تذكرنا بأحداث 2013 بوينج 787 المؤسفة المتوقعة! ) ، تكلفة أقل بشكل ملحوظ ، سهولة التعامل مع أوقات الدورات بالآلاف وعشرة آلاف!
إن التفكير في تحقيق “قفزة نوعية” في التكنولوجيا في غضون 1-2 سنوات من شأنه أن يترك الكثيرين في المجتمع العلمي مذهولين في الماضي القريب. ولكن الامور تغيرت الان! بعد أن طور الإنسان حدود المعرفة العلمية بقفزات غير مسبوقة في الآونة الأخيرة ، يبدو أن باحثي اليوم ، الذين يجلسون في ذروة المعرفة العلمية ، يقدمون حلولًا واعدة للغاية بمجرد قطرة من قبعة!
إذن ، إليك مجموعة من أكثر التقنيات الواعدة التي تخضع للبحث في وقت كتابة هذا المقال. (ملاحظة: البحث عن بطارية الشحن السريع مغمور حاليًا بالعديد من التقنيات البديلة التي تتنافس على المركز الأول. نظرًا لوجود عدد كبير جدًا ، لم يحاول المؤلف تقديم قائمة شاملة. بدلاً من ذلك ، تمثل القائمة أدناه أفضل ما في المجموعة بأكملها ، في رأيه).
تقنية الجرافيت المصنوع من الألمنيوم (راجع الرقمين 2 و 4 لمزيد من التفاصيل):
على رأس القائمة تكنولوجيا الألومنيوم-الجرافيت التي يتم تطويرها في جامعة ستانفورد بالولايات المتحدة الأمريكية. إنه مذهل بسبب وقت شحنه لمدة دقيقة واحدة (نعم ، 60 ثانية!). بينما تبلغ سعتها حوالي نصف Li-ion ، إلا أنها تعوض هذا النقص بوقت الشحن الذي لا يصدق. بالمقارنة مع عمر Li-ion لحوالي 1000 دورة شحن ، فإن الجرافيت الألومنيوم يدوم ما لا يقل عن 7500 دورة. إنه أكثر أمانًا من Li-ion أيضًا – يقول الباحثون أنه حتى لو قمت بالبحث من خلاله ، فلن تشتعل فيه النيران!
تقنية الألمنيوم الجوي (للمركبات الكهربائية) (الرقم المرجعي 1 و 2):
في بطارية الألومنيوم الهوائية (Al-air) ، يتم استخدام الأكسجين من الهواء في الكاثود ، وبالتالي ، لا يلزم وجود مؤكسد منفصل. يحتوي هذا النوع من البطاريات على كثافة طاقة يمكن أن تزود المركبة الكهربائية بقدر من الطاقة يجعلها على قدم المساواة مع نظيراتها التي تعمل بالبنزين. المدى عند الشحن الكامل هو حوالي 1000 ميل! قد يكون كل ما تحتاجه من عمليات إعادة الشحن إذا كنت تقود ما يصل إلى 2000 ميل في الشهر!
ما يثير الدهشة في هذه البطارية هو أنها لا تزيد عن نصف وزن بطارية الليثيوم الحالية. مع نفاد نصف وزن البطارية ، يمكنك الحصول على حمولة أكبر بكثير لنقل الركاب والبضائع (ملاحظة: البطارية هي إلى حد بعيد ، أثقل مكون في EV. في Tesla Roadster ، على سبيل المثال ، تساهم البطارية بحوالي الثلث من الوزن الإجمالي ، بحيث يكون الوزن الذي تم توفيره ، أي سدس الوزن الإجمالي ، كبيرًا).
تقنية الألمنيوم الجوي (للمركبات الكهربائية) (رقم المرجع 2):
هذا نوع مختلف عن تقنية الهواء التي تمت مناقشتها أعلاه. مدهش لأنه يعمل على الماء (العادي وكذلك مياه البحر) ولديه سعة 40 ضعف قدرة Li-ion!
الشحن السريع القائم على تقنية النانو (المرجع رقم 5):
ستصدر StoreDot Ltd. ، وهي شركة إسرائيلية عالية التقنية تعمل في مجال بطاريات الشحن السريع ، قريبًا مع “FlashBattery for SmartPhones” ، وهو شاحن عالمي للهواتف الذكية. تستخدم الشركة مركبات عضوية مسجلة الملكية تم إنشاؤها / معالجتها باستخدام تقنية النانو.
ما الذي يجعلها مذهلة؟ يمكنه إعادة شحن أي هاتف ، بغض النظر عن الطراز أو الطراز ، في دقيقة واحدة (كحد أقصى)!
بصرف النظر عن الهواتف ، يمكن استخدام الشاحن لشحن الأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة PHD والأجهزة اللوحية وما شابه ذلك. ومع ذلك ، هناك مشكلة – على الرغم من إثباتها ، إلا أنها غير متوفرة تجاريًا حتى الآن! قد يستغرق الأمر عامًا من الآن قبل أن يصبح متاحًا في متاجر البيع بالتجزئة.
ستقدم StoreDot أيضًا “FlashBattery for EV” ، وهو شاحن سريع للسيارات الكهربائية قريبًا. تم تحديد هذا المنتج لشحن بطارية السيارة في خمس دقائق فقط!
الشحن السريع عبر موجات الراديو (رقم المرجع 2):
في هذه التقنية ، تنتقل الطاقة الكهربائية المستخدمة في الشحن عبر موجات الراديو.
ليس مذهلاً للغاية ، باستثناء أنه لاسلكي ويتم شحنه من مسافة تصل إلى 20 قدمًا. وهناك مشكلة أيضًا – فهي غير متوفرة على الفور في السوق.
تكنولوجيا التدفق العضوي (المرجع رقم 2 ويكيبيديا):
تم تطوير تكنولوجيا التدفق العضوي بواسطة MIT (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) ، لتوليد الكهرباء باستخدام مادة عضوية ، AQDS (9،10-anthraquinone-2،7-disulphonic acid) كحامل شحن.
إنه يذهلنا من خلال خفض 97٪ من تكلفة إنتاج الكهرباء (من مصادر البطارية) – بينما توفر البطاريات المعدنية 1 كيلوواط / ساعة من الطاقة بسعر 700 دولار ، تمنحك بطاريات التدفق العضوي هذا القدر من الطاقة مقابل 27 دولارًا فقط!
NANOBATTERIES (المرجع رقم 2 و 6 ويكيبيديا):
تُصنع البطاريات النانوية من بطاريات بحجم “النانو” (أي بمقاسات تتراوح من 10 إلى -9 أمتار). يتم إنشاء بطاريات “النانو” عن طريق وضع قطبين كهربائيين في ثقب صغير (أو “ثقب نانوي”) في غشاء عازل كهربائيًا أو مركب معدني (مثل أكسيد الألومنيوم) مفصول بغشاء عازل رقيق. يتم دمج عدد كبير من “المسام النانوية” معًا لتكوين بطارية كاملة.
أي شيء مميز عنهم؟ نعم! المسامات النانوية صغيرة جدًا في الحجم بحيث لا يمكن رؤيتها بشكل فردي. يمكنها حمل ما يصل إلى أربعة أضعاف طاقة Li-ion وشحنها بالكامل في 10 دقائق. إلى جانب ذلك ، لديهم عمر افتراضي يبلغ حوالي 1000 دورة شحن.
تقنية NTU’s LITHIUM-TITANIUM DIOXIDE (للمركبات الكهربائية) (المرجع رقم 7 وويكيبيديا):
هذا اختراق تقني من جامعة نانيانغ التكنولوجية (NTU) ومقرها سنغافورة. من خلال تغيير كاثود الجرافيت الموجود في بطاريات Li-ion إلى هلام منخفض التكلفة مصنوع من ثاني أكسيد التيتانيوم ، تدعي NTU أنها طورت بطارية شحن فائقة السرعة تشحن إلى 70٪ من سعتها في دقيقتين! بصرف النظر عن وقت الشحن الذي يستغرق دقيقتين ، فإن ما يثير الإعجاب هو العمر الافتراضي غير العادي البالغ 20 عامًا.
يستهدف عامل عمر البطارية بشكل أساسي المركبات الكهربائية ، ومن المتوقع أن يقلل بشكل كبير من التكاليف التي كانت ستنشأ لولا ذلك بسبب عمليات الاستبدال المتكررة للبطارية.
ملاحظة: كما ذكرنا سابقًا ، يعد البحث عن بطارية الشحن السريع مجالًا متطورًا مزدحمًا حاليًا بالعديد من التقنيات البديلة الواعدة. تم تجاوز التقنيات القائمة على ركيزة الرغوة المعدنية ، والسيليكون ، وأيون الصوديوم ، وخلايا الوقود الميكروبية التي تعمل بالبول ، والطاقة الشمسية ، والهيدروجين ، والسخام الشمعي والعديد من التقنيات الأخرى التي تخضع للبحث والتطوير أثناء إعداد القائمة أعلاه ، والتي يعتقد المؤلف أنها الأفضل من بين قطعة أرض. أحد الإغفالات الملحوظة هي تقنية “الشحن عبر الهواء” من ميريديث بيري ، والتي تستخدم الكهرباء المنقولة عبر الموجات فوق الصوتية للشحن. إنها تقنية طال انتظارها وشديدة الاحتفاء بها حتى فترة قصيرة ، ويبدو أنها فشلت في اجتياز اختبارات التقييم الأخيرة بحيث كان لا بد من استبعادها من الدراسة.
مراجع: (مطلوب قص ولصق الرابط في متصفحك للوصول إلى الأرقام المرجعية من 3 إلى 7)
1. جيفري مارلو ، “أهم 10 مجالات للبحث العلمي” ، أهم 10 مجالات للبحث العلمي | سلكي ، http://www.wired.com/2013/08/the-10-hottest-fields-of-science-research/
2. Pocket-lint ، “بطاريات المستقبل ، قريبًا: الشحن في ثوانٍ ، والأشهر الماضية ، وشحنها عبر الهواء ،” البطاريات المستقبلية ، قريبًا: الشحن في ثوانٍ ، والأشهر الماضية ، وشحنها عبر الهواء – Pocket-lint ، http://www.pocket-lint.com/news/130380-future-battery-coming-soon-charge-in-seconds-last-months-and-power-over-the-air
3. ScienceDaily ، “أبحاث البطاريات” ، أخبار البطاريات – Science Daily ، sciencedaily.com/news/matter_energy/battery/
4. جامعة ستانفورد ، “بطارية الألومنيوم من ستانفورد تقدم بديل آمن للبطاريات التقليدية” news.stanford.edu/news/2015/march/aluminum-ion-battery-033115.HTML
5. StoreDot Ltd.، “FlashBattery for Smartphones،” StoreDot What We Do، store-dot.com/#!smartphones/c1u5l
6. آرس تكنيكا ، “بطارية جديدة تتكون من الكثير من البطاريات النانوية” | Ars Technica ، arstechnica.com/science/2014/11/new-battery-composed-of-lots-of-nanobattery/
7.جامعة نانيانغ التكنولوجية ، “تطور NTU بطاريات شحن فائقة السرعة تدوم 20 عامًا ،” تفاصيل الأخبار ، media.ntu.edu.sg/NewsReleases/Pages/newsdetail.aspx؟news=809fbb2f-95f0-4995-b5c0-10ae4c50c934
