اكتشاف عرضي يمكن أن يحدث ثورة في البطارية ويغير الطريقة التي ندير بها عالمنا.
بريد إلكتروني 23 يونيو 20220 5 دقائق
مزيتة
اكتشاف عرضي يمكن أن يحدث ثورة في البطارية ويغير الطريقة التي ندير بها عالمنا.
بين الحين والآخر ، يبدو أن التكنولوجيا الثورية تظهر تلقائيًا من فراغ وتغير عالمنا. الديناميت والبنسلين وآلات الأشعة السينية وحتى أجهزة الميكروويف كلها أمثلة على هذه الاكتشافات العرضية الثورية.
حسنًا ، هذا العام قد يكون لدينا غلاف جديد. ومع ذلك ، هذه المرة ليس فقط لإحداث ثورة في الطريقة التي نعيش بها ، ولكن من المحتمل أن ننقذ كوكبنا من تغير المناخ الذي يلوح في الأفق من خلال إطلاق تقنية مراوغة: بطاريات الليثيوم الكبريتية.
تقنية البطاريات المفضلة لدينا حاليًا – الليثيوم – لها بعض الجوانب السلبية الشديدة.
لعقود من الزمان ، كنا نبحث عن أفضل التقنيات لأسلوب حياتنا الحديث وتمكين التكنولوجيا النظيفة ، مثل السيارات الكهربائية. منذ أوائل التسعينيات ، كانت تقنية البطاريات المفضلة هي الليثيوم أيون.
إنه يمد كل شيء بالطاقة من الهواتف و Tesla إلى مرافق النسخ الاحتياطي لشبكة الطاقة وحتى الأقمار الصناعية. لكن على الرغم من حقيقة أننا ندخل القرن الحادي والعشرين ، إلا أن لديهم بعض الجوانب السلبية الشديدة.
أولاً ، المواد المستخدمة في بنائه ، مثل الكوبالت ، عادة ما تكون ضارة جدًا بالبيئة خاصة أثناء استخراجه. يدمر معظم النظم البيئية ويسرب بعض المواد الكيميائية السامة. (من الناحية العملية ، هناك أيضًا مشكلة إنسانية ، حيث أن بعض ظروف العمل في المناجم قاتلة وتستخدم عمالة الأطفال).
ثم هناك مشكلة دورة حياة البطارية. نحن في تسارع كبير في الطلب على شحن أجهزتنا بشكل متكرر وسريع بشكل خاص. هذا ينطبق على كل شيء من الهواتف إلى السيارات. ولكن ، كما سيخبرك أي شخص لديه هاتف ذكي ، يمكن لبطاريات الليثيوم أيون أن تفقد قدرتها بسرعة إذا كنت تقوم بشحنها بسرعة بشكل متكرر.
يعد تدهور البطارية مصدر قلق كبير ، خاصة لعالم السيارات الكهربائية. قد تكون السيارات الكهربائية المستعملة عديمة الفائدة في بعض الأحيان في حالة نفاد البطارية ، الأمر الذي سيكلف استبدالها مرة أخرى. بشكل عام ، يؤدي هذا إلى إبطاء اعتماد السيارات الكهربائية ويعني أيضًا أن النفايات الإلكترونية ، التي تمثل مشكلة كبيرة بالفعل ، ستزداد سوءًا.
هناك أيضًا مشكلة كثافة حزم الليثيوم كثيفة الطاقة نسبيًا ، ولكنها لا تزال ثقيلة جدًا وضخمة وضخمة. هذا يحد من نطاق المركبات الكهربائية لأن البطاريات ثقيلة جدًا ، ويجعل البطاريات عديمة الفائدة لبعض التطبيقات ، مثل الطائرات والسفن الكهربائية التجارية.
حتى أن هناك مشكلة الاحتراق في بطاريات الليثيوم ، حيث يمكن للخلية التالفة أن تشتعل تلقائيًا وتحترق بشدة. ما عليك سوى إلقاء نظرة على ما حدث مع بعض هواتف Samsung القديمة (Note 7) و Rimac EV
لهذا السبب كان العلماء في Drexel يبحثون عن نوع جديد تمامًا من البطاريات ، يُعرف باسم كبريت الليثيوم.
على ما يبدو ، تحل كبريتات الليثيوم جميع مشاكل أيونات الليثيوم. إنها تستخدم مواد أقل ضرراً بالبيئة ، ويمكن إنتاجها أرخص ، ويمكن أن تكون أكثر كثافة للطاقة بثلاث مرات (بمعنى بطارية أخف وزنًا) وأقل احتمالية أن تشتعل فيها النيران. كل ذلك دون تغيير سرعة الشحن.
لذلك ما هي النقطة؟ لماذا لم يتم تصنيعها بالفعل؟
حسنًا ، لدينا مشكلة واحدة كبيرة. بينما يمكن استخدام بطارية ليثيوم أيون لحوالي 2000 دورة شحن ، عادةً ما يقتصر كبريت الليثيوم على حوالي نصف هذا العدد. لذلك ، بعد عام أو عامين من الاستخدام السليم ، تكون بطارية الليثيوم-الكبريت ميتة حتماً.
يمكن أن تكون بطاريات الليثيوم الكبريتية أرخص في الإنتاج وثلاث مرات أكثر من بطاريات الليثيوم أيون.
لحل هذه المشكلة ، كان فريق دريكسل يجرب شيئًا جديدًا مع كبريتات الليثيوم ، عن طريق تغيير المركبات في كاثود البطارية.
كان هدفهم هو إبطاء التفاعل الكيميائي الذي ينتج بولي كبريتيد عندما يتم شحن البطارية وتفريغها. تزيل هذه البلورات الكبريت بشكل فعال من القطب وتسبب في النهاية خسارة هائلة في السعة. قد يؤدي إبطائها إلى جعل هذه البطاريات كثيفة الطاقة تدوم لفترة أطول.
لكن ما وجدوه بدلاً من ذلك كان شيئًا لا يصدق: تفاعل كيميائي من الكبريت أوقف بشكل أساسي تدهور البطارية! لقد صُدموا جدًا بهذا الاكتشاف لدرجة أنهم اضطروا إلى التحقق 100 مرة للتأكد من أنهم لم يخطئوا في قراءته.
تُعرف هذه المرحلة الكيميائية باسم كبريت طور جاما أحادي الميل ، ناهيك عن الاسم ولكن هذا التفاعل لم يتم ملاحظته من قبل إلا في المختبر في درجات حرارة عالية – فوق 95 درجة مئوية (203 درجة فهرنهايت). هذه هي المرة الأولى التي يتم رؤيتها في درجة حرارة الغرفة.
في البطارية ، توقف هذه المرحلة تمامًا التفاعل الذي ينتج polysulfide. كان هذا فعالًا لدرجة أن العلماء أرسلوا البطارية خلال 4000 دورة شحن دون انخفاض في السعة ، مما يعني أنها تدوم على الأقل ضعف عمر أيون الليثيوم.
تجدر الإشارة أيضًا إلى أن بطاريتهم كانت كثيفة الطاقة بثلاث مرات مثل ليثيوم أيون ويمكن شحنها بنفس السرعة!
تزن هذه البطاريات ثلث بطاريات الليثيوم أيون المكافئة ولها ضعف عمرها الافتراضي.
القول بأن هذا اكتشاف رائع هو بخس. لكن هذه المرحلة الجديدة من الكبريت لها أيضًا فوائد أخرى ، مثل تقليل تمدد البطارية وزيادة هوامش الأمان. بعبارة أخرى ، تحتوي هذه البطارية على كل السمات المميزة لبطارية السوق الشامل المطلق ، وقد وجدها هؤلاء العلماء عن طريق الصدفة البحتة.
كما هو الحال مع معظم الاكتشافات العرضية ، لم يتوصل العلماء بعد إلى ما يحدث بالفعل. ما زالوا لا يعرفون سبب تكون هذه المرحلة من الكبريت أو كيفية التأكد من بقائها على هذا النحو. لذلك هناك حاجة إلى مزيد من البحث للإجابة على هذه الأسئلة من أجل تطوير بطارية موثوقة يمكن استخدامها في مليارات أجهزة الكمبيوتر والسيارات الكهربائية وما شابه.
لكن الأمر يستحق الانتظار لأن هذه البطاريات ستزن ثلث بطاريات الليثيوم أيون المكافئة ولديها ضعف عمرها!
ستتمتع الرحلات القصيرة وسفن الشحن وعبارات الركاب بتقنية تسمح لها بالعمل بالكامل على الكهرباء.
وهذا يعني أن السيارات الكهربائية الأسرع والأكثر كفاءة والتي يصل مداها إلى آلاف الأميال ستكون مجدية تجارياً بتكلفة مماثلة للسيارات الكهربائية اليوم. علاوة على ذلك ، ستظل مفيدة في الواقع خلال 10 سنوات ، مما يقلل بشكل كبير من النفايات ويزيد من معدل اعتماد المركبات الكهربائية.
علاوة على ذلك ، ستحتوي الرحلات القصيرة وسفن الشحن وعبارات الركاب على تكنولوجيا تسمح لها بالعمل بالكامل على الكهرباء. سيعني توفير الوزن والعمر الطويل والسعر التنافسي أن هذه القطاعات يمكنها أخيرًا تحقيق أهدافها منخفضة الكربون.
باختصار ، يمكن أن تسمح بطاريات الليثيوم-الكبريت بمجموعة واسعة من الأنشطة للتحول إلى كهرباء ، مما يجعل صافي الانبعاثات الصفرية أكثر جدوى.
بشكل لا يصدق ، إنه يتحسن.
الليثيوم والكبريت والمواد الأخرى التي تشكل هذه البطارية الجديدة متوفرة بكثرة في جميع أنحاء الأرض. هذا يعني أنه يمكننا تقليل التأثير البيئي للتعدين بشكل كبير ، وكذلك ضمان سلسلة توريد أقوى.
لكن هذه ليست نهاية هذا الاكتشاف. يبحث فريق Drexel بالفعل في استخدام هذا الاختراق لصنع بطاريات كبريت الصوديوم. من خلال إزالة الحاجة إلى الليثيوم ، يمكنهم جعل البطاريات أكثر صداقة للبيئة والقضاء على عنق الزجاجة الهائل في سلسلة التوريد ، مما يضمن استمرار اعتماد المركبات الكهربائية بسرعات الاختراق التي يخطط لها صانعو السيارات.
تم تعيين هذا الاكتشاف العرضي في Drexel لإحداث ثورة في استخدام الطاقة في العالم ومساعدة البشرية على الانتقال نحو مجتمع أنظف وخالي من الكربون. دعونا نأمل فقط أن يتمكن فريق Drexel من إخراج هذه التكنولوجيا من المختبر إلى أيدينا قريبًا.
بقلم ويليام لوكيت