حلم الطاقة: ما يمكن أن تكون عليه البطاريات المستقبلية

في السنوات الأخيرة ، سمعنا في كثير من الأحيان أن ذلك تقريبًا - وستتلقى البشرية بطاريات يمكنها تشغيل أدواتنا لأسابيع أو حتى شهور ، مع كونها صغيرة جدًا وسريعة الشحن. لكن الأمور لا تزال هناك. لماذا لم تظهر بعد بطاريات أكثر كفاءة ونوع التطورات الموجودة في العالم ، اقرأ تحت القط.

اليوم ، اقترب عدد من الشركات الناشئة من إنشاء بطاريات مدمجة آمنة بتكلفة تخزين طاقة تبلغ حوالي 100 دولار لكل كيلوواط ساعة. سيؤدي ذلك إلى حل مشكلة إمدادات الطاقة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع وفي كثير من الحالات التحول إلى مصادر الطاقة المتجددة ، وفي نفس الوقت سيقلل من وزن وتكلفة المركبات الكهربائية.

لكن كل هذه التطورات تقترب ببطء شديد من المستوى التجاري ، والذي لا يسمح بتسريع الانتقال من المعادن إلى المصادر المتجددة. حتى إيلون موسك ، الذي يحب الوعود الجريئة ، اضطر إلى الاعتراف بأن قسم السيارات الخاص به يعمل على تحسين بطاريات الليثيوم أيون تدريجيًا ، بدلاً من إنشاء تقنيات اختراق.

يعتقد العديد من المطورين أن البطاريات المستقبلية سيكون لها شكل وهيكل وتكوين كيميائي مختلف تمامًا مقارنة بالليثيوم أيون ، الذي حل في العقد الماضي محل تقنيات أخرى من العديد من الأسواق.

يقول مؤسس SolidEnergy Systems Qichao Hu ، الذي يعمل على تطوير بطارية معدنية من الليثيوم لمدة عشر سنوات (أنود معدني بدلاً من أنود الجرافيت ، كما هو الحال في الليثيوم أيون التقليدي) ، إن المشكلة الرئيسية في إنشاء تقنيات تخزين الطاقة الجديدة هي ، مع تحسن أي معلمة تزداد الأمور سوءًا. بالإضافة إلى ذلك ، هناك العديد من التطورات اليوم ، حيث يدعي مؤلفوها بصوت عالٍ تفوقهم ، لدرجة أنه من الصعب جدًا على الشركات الناشئة إقناع المستثمرين المحتملين وجذب الأموال الكافية لمواصلة البحث.

وفقًا لتقرير من لوكس ريسيرش ، على مدى السنوات 8-9 الماضية ، استثمرت الشركة حوالي 4 مليارات دولار في أبحاث تخزين الطاقة ، تم كسب 40 مليون دولار منها في المتوسط ​​من قبل الشركات الناشئة التي ابتكرت "تقنيات الجيل التالي". في الوقت نفسه ، استثمرت Tesla حوالي 5 مليارات دولار في Gigafactory ، والتي تعمل في إنتاج بطاريات ليثيوم أيون. من الصعب جدًا سد هذه الفجوة.

وفقًا لجير سيدر ، أستاذ علوم المواد في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، فإن إنشاء خط إنتاج صغير وحل جميع مشاكل الإنتاج لإخراج البطاريات يبلغ حوالي 500 مليون دولار. يستطيع صانعو السيارات اختبار تقنيات البطاريات الجديدة لسنوات قبل أن يقرروا ما إذا كانوا يريدون شراء الشركات الناشئة التي أنشأتها. حتى إذا دخلت تقنية جديدة إلى السوق ، فمن الضروري التغلب على الفترة الخطيرة المتمثلة في زيادة الأحجام والعثور على العملاء. على سبيل المثال ، فشلت Leyden Energy و A123 Systems ، على الرغم من وعود منتجاتهما ، لأن الاحتياجات المالية كانت أعلى من المقدرة ولم يرق الطلب إلى مستوى التوقعات. لم تنجح شركتان جديدتان ، Seeo و Sakti3 ، في الوصول إلى أحجام الإنتاج الضخم ومستوى دخل كبير وتم شراؤها بكميات أقل بكثير مما توقعه المستثمرون الأساسيون.

في الوقت نفسه ، الشركات الثلاث العالمية الرئيسية للبطاريات - Samsung و LG و Panasonic - ليست مهتمة جدًا بالابتكارات والتغيرات الجذرية ، فهي تفضل تحسين منتجاتها قليلاً. لذا ، تواجه جميع الشركات الناشئة التي تقدم تقنيات اختراق مشكلة كبيرة لا يفضلون ذكرها: تستمر بطاريات الليثيوم أيون التي تم تطويرها في أواخر السبعينيات في التحسن.

ولكن مع ذلك - ما هي التقنيات التي يمكن أن تحل محل بطاريات الليثيوم أيون في كل مكان؟

بطاريات ليثيوم قابلة للشحن

في بطاريات الليثيوم والهواء ، يستخدم الأكسجين كعامل مؤكسد. من المحتمل أن تكون أرخص وأخف من بطاريات الليثيوم أيون عدة مرات ، ويمكن أن تكون قدرتها أكبر بكثير بأحجام مماثلة. المشاكل الرئيسية للتكنولوجيا: فقدان كبير للطاقة بسبب التبديد الحراري أثناء الشحن (حتى 30٪) والتدهور السريع نسبيًا للسعة. ولكن هناك أمل أنه في غضون 5-10 سنوات يمكن حل هذه المشاكل. على سبيل المثال ، في العام الماضي تم إدخال نوع جديد من تكنولوجيا الهواء الليثيوم - بطارية ذات كاثود نانوي .

شاحن بيو

هذا الجهاز على شكل وعاء خاص للنباتات يستخدم طاقة البناء الضوئي لشحن الأدوات المتحركة. علاوة على ذلك ، فهي متاحة للبيع بالفعل. يمكن للجهاز توفير جلستين إلى ثلاث جلسات شحن في اليوم بجهد 3.5 فولت وتيار 0.5 أمبير. تتفاعل المواد العضوية في الوعاء مع منتجات تفاعل الماء والتركيب الضوئي ، مما ينتج عنه طاقة كافية لشحن الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية.

تخيل بساتين كاملة تزرع فيها كل شجرة على مثل هذا الجهاز ، فقط أكبر وأكثر قوة. سيسمح ذلك بتوفير الطاقة "المجانية" للمنازل المحيطة وسيكون سببًا جيدًا لحماية الغابات من إزالة الغابات.

بطاريات أسلاك نانوية ذهبية

في جامعة كاليفورنيا ، ايرفين ، تم تطوير بطاريات أسلاك متناهية الصغر يمكنها تحمل أكثر من 200 ألف دورة شحن لمدة ثلاثة أشهر دون أي علامات على تدهور السعة. سيؤدي هذا إلى زيادة كبيرة في دورة حياة أنظمة الطاقة في الأنظمة الحرجة للمهام والإلكترونيات الاستهلاكية.

الموصلات النانوية أرق آلاف المرات من شعرة الإنسان تعد بمستقبل أكثر إشراقا. في تطورهم ، استخدم العلماء أسلاك الذهب في قشرة من ثاني أكسيد المنغنيز ، والتي يتم وضعها في إلكتروليت يشبه الهلام. هذا يمنع تدمير الموصلات النانوية خلال كل دورة شحن.

بطاريات المغنيسيوم

تعمل تويوتا على استخدام المغنيسيوم في البطاريات . سيسمح لك ذلك بإنشاء وحدات صغيرة ومعبأة بإحكام لا تحتاج إلى عبوات واقية. على المدى الطويل ، يمكن أن تكون هذه البطاريات أرخص وأكثر إحكاما من بطاريات أيونات الليثيوم. صحيح أن هذا لن يحدث قريبًا. إذا حدث ذلك.

بطاريات الحالة الصلبة

تستخدم بطاريات الليثيوم أيون التقليدية إلكتروليت سائل قابل للاشتعال كوسيلة لنقل الجسيمات المشحونة بين الأقطاب الكهربائية ، مما يؤدي تدريجياً إلى تدهور البطارية.

إن بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة ، والتي تعتبر اليوم واحدة من أكثر البطاريات الواعدة ، محرومة من هذا العيب. على وجه الخصوص ، نشر مطورو تويوتا ورقة علمية وصفوا فيها تجاربهم مع الموصلات الفائقة للكبريتيد. إذا نجحت ، فسيتم إنشاء البطاريات على مستوى المكثفات الفائقة - سيتم شحنها أو تفريغها بالكامل في سبع دقائق فقط. مثالية للسيارات الكهربائية. وبفضل هيكل الحالة الصلبة ، ستكون هذه البطاريات أكثر استقرارًا وأمانًا من البطاريات الحديثة المصنوعة من ليثيوم أيون. ستتوسع أيضًا درجة حرارة التشغيل - من -30 إلى +100 درجة مئوية.



طور علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بالتعاون مع Samsung بطاريات الحالة الصلبة التي تفوق بطاريات أيونات الليثيوم الحديثة في خصائصها. فهي أكثر أمانًا ، واستهلاك الطاقة أعلى بنسبة 20-30 ٪ ، بالإضافة إلى أنها يمكن أن تتحمل مئات الآلاف من دورات إعادة الشحن. نعم ، وليس خطر الحريق.

خلايا الوقود

يمكن أن يؤدي تحسين خلايا الوقود إلى حقيقة أننا سنشحن الهواتف الذكية مرة واحدة في الأسبوع ، وستطير الطائرات بدون طيار لفترة أطول من ساعة. قام علماء من جامعة بوهانج للعلوم والتكنولوجيا (كوريا الجنوبية) بإنشاء خلية تم فيها دمج عناصر من الفولاذ المقاوم للصدأ مسامية مع إلكتروليت ذو طبقة رقيقة وأقطاب كهربائية ذات قدرة حرارية دنيا. تبين أن التصميم أكثر موثوقية من بطاريات أيونات الليثيوم ويدوم لفترة أطول. من الممكن أن يتم تنفيذ التطوير في المنتجات التجارية ، بشكل أساسي في هواتف Samsung الذكية.

بطاريات الجرافين للسيارات

يعتقد العديد من الخبراء أن المستقبل يكمن في بطاريات الجرافين. قامت شركة Graphenano بتطوير بطارية Grabat ، والتي يمكن أن توفر نطاقًا كهربائيًا يصل إلى 800 كم. يدعي المطورون أن شحن البطارية في بضع دقائق فقط - سرعة الشحن / التفريغ هي 33 مرة أعلى من الليثيوم أيون. التفريغ السريع مهم بشكل خاص لضمان ديناميكيات تسارع عالية للسيارات الكهربائية.

تبلغ سعة محرك جراب 2.3 فولت ضخمًا: حوالي 1000 واط / كجم. للمقارنة ، فإن أفضل عينات بطاريات أيونات الليثيوم لها مستوى 180 واط / كجم.

مكثفات صغيرة مصنوعة من الليزر

أحرز علماء جامعة رايس تقدماً في تطوير المكثفات الصغرى . تتمثل إحدى العيوب الرئيسية للتكنولوجيا في ارتفاع تكلفة التصنيع ، ولكن استخدام الليزر يمكن أن يؤدي إلى انخفاض كبير في السعر. يتم قطع أقطاب المكثفات بالليزر من لوح بلاستيكي ، مما يقلل بشكل كبير من تعقيد الإنتاج. يمكن لهذه البطاريات شحن ما يصل إلى 50 مرة أسرع من بطاريات ليثيوم أيون ، والتفريغ بشكل أسرع من المكثفات الفائقة المستخدمة اليوم. بالإضافة إلى ذلك ، فهي موثوقة ، خلال التجارب استمروا في العمل حتى بعد 10 آلاف من الانحناءات.

بطاريات أيون الصوديوم

طورت مجموعة من الباحثين الفرنسيين وشركات RS2E بطاريات أيون الصوديوم لأجهزة الكمبيوتر المحمولة التي تستخدم الملح العادي. يتم الاحتفاظ بسرية مبدأ العملية وعملية التصنيع. تبلغ سعة البطارية 6.5 سم 90 واط / كجم ، وهي قابلة للمقارنة مع كتلة أيونات الليثيوم ، ولكنها لا تتحمل أكثر من ألفي دورة شحن.

بطاريات الرغوة

اتجاه آخر في تطوير تقنيات تخزين الطاقة هو إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد. على وجه الخصوص ، أنشأت Prieto بطارية تعتمد على ركيزة من معدن الرغوة (النحاس). لا يوجد محلول كهربائي قابل للاشتعال ، مثل هذه البطارية لها مورد طويل ، فهي تشحن بشكل أسرع ، وكثافتها أعلى بخمس مرات ، وهي أيضًا أرخص وأقل من البطاريات الحديثة. تأمل Prieto أولاً في إدخال تطويرها في مجال الإلكترونيات القابلة للارتداء ، ولكنها تجادل في إمكانية توزيع التكنولوجيا على نطاق أوسع: الاستخدام في الهواتف الذكية ، وحتى في السيارات.

"صفار نانو" عالي السعة وسريع الشحن

تطور آخر لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هو الجسيمات النانوية للبطاريات : غلاف مجوف مصنوع من ثاني أكسيد التيتانيوم ، من الداخل (مثل صفار البيض في بيضة) عبارة عن حشو مصنوع من مسحوق الألمنيوم وحمض الكبريتيك وأكسيد التيتانيوم. قد تختلف أبعاد الحشو بشكل مستقل عن الغلاف. سمح استخدام هذه الجسيمات بزيادة ثلاثة أضعاف في سعة البطاريات الحديثة ، وانخفضت مدة الشحن الكامل إلى ست دقائق. أيضا ، انخفض معدل تحلل البطارية. الكرز على الكعكة - تكلفة إنتاج منخفضة وسهولة التحجيم.

بطارية أيون الألمنيوم فائقة السرعة

في ستانفورد ، طوروا بطارية أيون ألمنيوم يتم شحنها بالكامل في حوالي دقيقة واحدة. في الوقت نفسه ، تتمتع البطارية نفسها ببعض المرونة. المشكلة الرئيسية هي أن السعة المحددة هي تقريبًا نصف سعة بطاريات أيونات الليثيوم. على الرغم من أنه بالنظر إلى سرعة الشحن ، فإن هذا ليس بالغ الأهمية.

بطارية ألفا - أسبوعان على الماء

إذا تمكنت شركة Fuji Pigment من إعادة التفكير في بطاريتها المصنوعة من الألومنيوم والهواء Alfa ، فإننا ننتظر ظهور ناقلات الطاقة ، التي تبلغ سعتها 40 ضعفًا من قدرة أيونات الليثيوم. علاوة على ذلك ، يتم إعادة شحن البطارية بإضافة ماء ، عادي أو مملح. وفقًا للمطورين ، ستتمكن ألفا من العمل بشحنة واحدة لمدة تصل إلى أسبوعين. ربما ستظهر أول هذه البطاريات على السيارات الكهربائية. تخيل محطة وقود تطلبها للمياه.

بطاريات قابلة للانحناء مثل الورق

أنشأت Jenax بطارية J.Flex مرنة تشبه الورق الثقيل. يمكن حتى طيها. بالإضافة إلى ذلك ، فهو لا يخاف من الماء وبالتالي فهو مريح جدًا للاستخدام في الملابس. أو تخيل ساعة يد ببطارية على شكل حزام. ستسمح لك هذه التقنية بتقليل حجم الأدوات نفسها ، وزيادة كمية الطاقة القابلة للارتداء. سيناريو آخر هو إنشاء الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية المرنة القابلة للطي. هل تحتاج إلى شاشة أكبر؟ مجرد توسيع الأداة مطوية في النصف.

وفقًا للمطورين ، تتحمل عينة الاختبار 200 ألف طية دون فقدان السعة.

بطاريات مرنة

تعمل الشركات المرنة على إنشاء ناقلات طاقة مرنة. وذهب فريق من العلماء من جامعة ولاية أريزونا إلى أبعد من ذلك وبمساعدة تصميم ميكانيكي خاص ، خلقت بطارية على شكل شريط مرن . من الممكن أن يتم تطوير الفكرة وسوف تسمح ببناء البطاريات في الملابس.

البطارية البولية

في عام 2013 ، استثمرت مؤسسة بيل جيتس في استمرار البحث في مختبر بريستول الروبوتي حول إنشاء بطاريات تعمل على البول . الحيلة الكاملة هي استخدام "خلايا الوقود الميكروبية": فهي تحتوي على كائنات دقيقة تكسر البول وتنتج الكهرباء. من يدري ، ربما لن يكون الذهاب إلى المرحاض قريبًا ضرورة فحسب ، بل أيضًا نشاطًا مفيدًا حرفياً.

Ryden - بطاريات كربون شحن سريع

في عام 2014 ، أعلنت Power Japan Plus عن خطط لإنتاج البطاريات على أساس مواد الكربون. يمكن إنتاجها على نفس المعدات مثل الليثيوم أيون. يجب أن تدوم البطاريات الكربونية لفترة أطول وشحنها 20 مرة أسرع من بطاريات أيونات الليثيوم. تم الإعلان عن مورد قدره 3 آلاف دورة شحن.

بطارية عضوية ، لا شيء تقريبًا

في هارفارد ، تم إنشاء تقنية البطاريات العضوية بتكلفة إنتاج تبلغ 27 دولارًا لكل كيلوواط ساعة. هذا أرخص بنسبة 96٪ من البطاريات المعدنية (حوالي 700 دولار للكيلوواط ساعة). يستخدم الاختراع جزيئات الكينون التي تتطابق تقريبًا مع تلك الموجودة في الراوند. من حيث الكفاءة ، فإن البطاريات العضوية ليست أقل شأنا من البطاريات التقليدية ويمكن تحجيمها إلى أحجام ضخمة دون مشاكل.

فقط أضف الرمل

هذه التكنولوجيا هي تحديث بطاريات أيونات الليثيوم . بدلاً من الأنودات الجرافيتية ، استخدمت جامعة كاليفورنيا في ريفرسايد مزيجًا محترقًا من الرمل المكرر والمكسر (اقرأ الكوارتز) مع الملح والمغنيسيوم. وقد سمح ذلك بزيادة أداء بطاريات الليثيوم أيون التقليدية وعمر البطارية فيها ثلاث مرات تقريبًا.

شحن سريع وعمر طويل

في جامعة نانيانغ التكنولوجية (سنغافورة) ، طوروا تعديلهم الخاص لبطارية ليثيوم أيون ، والتي تشحن 70٪ في دقيقتين وتدوم 10 مرات أطول من بطاريات الليثيوم التقليدية. في ذلك ، لا يتم تصنيع الأنود من الجرافيت ، ولكن من مادة تشبه الهلام تعتمد على ثاني أكسيد التيتانيوم - مادة خام رخيصة وواسعة الانتشار.

بطاريات نانوبور

في جامعة ميريلاند في كوليدج بارك ، ابتكروا بنية نانوية ، تعمل كل خلية منها مثل بطارية صغيرة. يتم شحن هذا الصفيف لمدة 12 دقيقة ، أي ثلاثة أضعاف سعة بطارية ليثيوم أيون من نفس الحجم ويمكنها تحمل حوالي 1000 دورة شحن.

توليد الكهرباء

طاقة الجلد

لا يتعلق هذا كثيرًا بالبطاريات ، ولكن حول طريقة الحصول على الطاقة. نظريًا ، باستخدام طاقة الاحتكاك لجهاز يمكن ارتداؤه (ساعة ، جهاز تتبع اللياقة البدنية) على الجلد ، يمكنك توليد الكهرباء. إذا كان من الممكن تحسين التكنولوجيا بما فيه الكفاية ، فعندئذٍ ستعمل البطاريات في المستقبل في بعض الأدوات ، ببساطة لأنك تضعها على الجسم. النموذج الأولي لمولد النانو هذا عبارة عن فيلم ذهبي بسماكة 50 نانومترًا ، مترسبًا على ركيزة سيليكونية تحتوي على آلاف الأرجل الصغيرة التي تزيد من احتكاك الركيزة على الجلد. والنتيجة تأثير كهربي .

uBeam - الشحن عن طريق الجو

uBeam هو مفهوم غريب لنقل الطاقة إلى جهاز محمول باستخدام الموجات فوق الصوتية. يصدر الشاحن موجات فوق صوتية يتم التقاطها بواسطة جهاز الاستقبال وتحويلها إلى كهرباء. يبدو أن التأثير الكهروإجهادي هو حجر الزاوية للاختراع: يتردد صدى المستقبل تحت تأثير الموجات فوق الصوتية ، وتولد اهتزازاته طاقة.

ذهب مسار مماثل لعلماء من الملكة ماري من جامعة لندن. لقد قاموا بإنشاء هاتف ذكي نموذجي يتم شحنه ببساطة بسبب الضوضاء الخارجية ، بما في ذلك أصوات الناس.

ستوردوت

تم تطوير شاحن StoreDot بواسطة شركة ناشئة ظهرت على أساس جامعة تل أبيب. تمكنت عينة المختبر من شحن بطارية Samsung Galaxy 4 في 30 ثانية. يقال أن الجهاز يعتمد على أشباه الموصلات العضوية المصنوعة من الببتيدات. في نهاية عام 2017 ، من المفترض طرح بطارية جيب للبيع ، قادرة على شحن الهواتف الذكية في خمس دقائق.

لوحة شمسية شفافة

قامت شركة الكاتيل بتطوير لوحة شمسية شفافة نموذجية يتم وضعها أعلى الشاشة بحيث يمكن إعادة شحن الهاتف ببساطة عن طريق وضعه في الشمس. بالطبع ، المفهوم ليس مثاليًا من حيث عرض الزوايا وقوة الشحن. لكن الفكرة جميلة.

بعد عام ، في عام 2014 ، أعلنت Tag Heuer عن إصدار جديد من هاتفها العائم Tag Heuer Meridiist Infinite ، حيث كان من المفترض وضع لوحة شمسية شفافة بين الزجاج الخارجي والشاشة نفسها. صحيح أنه ليس من الواضح ما إذا كان الأمر يتعلق بالإنتاج.