قبل البدء في القراءة ، قم بحساب عدد الأجهزة التي تحتوي على بطاريات بجوارك داخل دائرة نصف قطرها عدة أمتار. بالتأكيد سترى الهاتف الذكي أو الجهاز اللوحي أو الساعة الذكية أو جهاز تعقب اللياقة البدنية أو الكمبيوتر المحمول أو الماوس اللاسلكي؟ جميع هذه الأجهزة مزودة ببطاريات ليثيوم أيون - يمكن اعتبار اختراعها أحد أهم الأحداث في مجال الطاقة.
ساهمت بطاريات الليثيوم أيون الخفيفة الوزن ، الرحبة والمدمجة في ازدهار الإلكترونيات المحمولة ، والتي كان وجودها مستحيلًا في السابق. حققت الأدوات الذكية على مدار الثلاثين عامًا الماضية قفزة تكنولوجية رائعة ، ولا تختلف بطاريات الليثيوم أيون الحديثة عن نماذج الإنتاج الأولى في أوائل التسعينيات. من وكيف اخترع بطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن ، وما هي التراكيب المستخدمة فيها ، وهل هناك مؤامرة عالمية ضد البطاريات "الأبدية"؟ نحن نقول.
أسطورة البطارية الأولى
بين المحاولة الأولى لإنتاج الكهرباء بطريقة كيميائية وإنشاء بطاريات ليثيوم أيون ، ربما مرت ألفي سنة. هناك تخمين غير مؤكد أن أول عنصر كلفاني من صنع الإنسان في تاريخ البشرية كان "بطارية بغداد" ، التي عثر عليها في عام 1936 بالقرب من بغداد من قبل عالم الآثار فيلهلم كوينيج. الاكتشاف ، مؤرخة من الثاني إلى الرابع قبل الميلاد. e. ، عبارة عن وعاء طيني فيه أسطوانة نحاسية وقضيب حديدي ، يمكن أن يملأ الفضاء بينهما "بالكهرباء" - حمض أو قلوي. أظهرت إعادة البناء الحديثة للاكتشاف أنه عندما تمتلئ السفينة بعصير الليمون ، يمكن تحقيق جهد يصل إلى 0.4 فولت.
بطارية بغداد تشبه الى حد بعيد البطارية المحمولة. أو حالة البردي؟ المصدر: آريني / ويكيميديا
لماذا يمكن استخدام "بطارية بغداد" إذا بقي بضعة آلاف من السنين قبل اكتشاف الكهرباء؟ ربما تم استخدامه لترسيب دقيق للذهب على التماثيل بواسطة طريقة الجلفنة - التيار والجهد من "البطارية" يكفيان تمامًا لهذا الغرض. ومع ذلك ، هذه ليست سوى نظرية ، لأن الشعوب القديمة لم تحصل على أي دليل على استخدام الكهرباء وهذه "البطارية" نفسها: تم تطبيق التذهيب عن طريق الاندماج في ذلك الوقت ، والسفينة غير العادية نفسها يمكن أن تكون كذلك حاوية محمية للمخطوطات.
نظرية الانفجار الصغير
يقول المثل الروسي "لن تكون هناك سعادة ، ولكن ساعدنا سوء الحظ" مسار العمل على بطاريات الليثيوم أيون بأفضل طريقة ممكنة. بدون حادث واحد غير متوقع وغير سارة ، يمكن أن يتأخر إنشاء بطاريات جديدة لعدة سنوات.
في السبعينيات من القرن الماضي ، استخدم البريطاني ستانلي ويتنجهام ، الذي كان يعمل في شركة إكسون للطاقة ، أنود كبريتيد التيتانيوم وكاثود الليثيوم لإنشاء بطارية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن. أظهرت أول بطارية ليثيوم قابلة لإعادة الشحن مؤشرات للتيار والجهد مقبولة ، إلا أنها انفجرت بشكل دوري وسممت الأشخاص المحيطين بها بالغاز: أطلق ثاني كبريتيد التيتانيوم كبريتيد الهيدروجين عند ملامسته للهواء ، وهو أمر غير سار على الأقل للتنفس ، ولكن على الأكثر خطورة. بالإضافة إلى ذلك ، كان التيتانيوم دائمًا مكلفًا للغاية في جميع الأوقات ، وفي السبعينيات كان سعر ثاني كبريتيد التيتانيوم حوالي 1000 دولار للكيلوغرام (أي ما يعادل 5000 دولار في الوقت الحاضر). ناهيك عن حقيقة أن الليثيوم المعدني يحترق في الهواء. لذا حولت إكسون مشروع ويتنجهام بعيدا عن الخطيئة.
في عام 1978 ، شارك كويتشي ميزوشيما ، الذي دافع عن الدكتوراه في الفيزياء ، في البحث بجامعة طوكيو عندما تلقى دعوة من أكسفورد للانضمام إلى مجموعة جون جودنوغ ، التي كانت تبحث عن مواد جديدة عن أنودات البطارية. كان هذا مشروعًا واعدًا جدًا ، نظرًا لأن إمكانات مصادر طاقة الليثيوم كانت معروفة بالفعل ، لكنها لم تستطع حقًا ترويض المعدن المتقلبة - أظهرت تجارب وايتنجهام الحديثة أن بدء الإنتاج الضخم لبطاريات الليثيوم أيون المرغوبة ما زال بعيد المنال.
تستخدم البطاريات التجريبية كاثود الليثيوم وأنود الكبريتيد. أعطى تفوق الكبريتيدات على المواد الأخرى في الأنودات ميزوشيما وزملاؤه اتجاهًا للبحث. أمر العلماء فرن الكبريتيد في مختبرهم في الموقع لتجربة مركبات مختلفة بشكل أسرع. لم ينتهي العمل مع الموقد جيدًا: لقد انفجر يومًا وتسبب في نشوب حريق. أجبر الحادث فريق من الباحثين على إعادة النظر في خططهم: ربما لم تكن الكبريتيدات ، على الرغم من فعاليتها ، هي الخيار الأفضل. حول العلماء اهتمامهم نحو الأكاسيد ، التي كانت أكثر أمانًا في التوليف.
بعد إجراء العديد من الاختبارات على المعادن المختلفة ، بما في ذلك الحديد والمنغنيز ، وجدت ميزوشيما أن أكسيد الكوبالت الليثيوم يُظهر أفضل النتائج. استخدمه ليس فقط بنفس الطريقة التي افترضها فريق Gudenaf من قبل - للبحث عن المواد التي تمتص أيونات الليثيوم ، ولكن المواد التي تعطي بسهولة أيونات الليثيوم. كان الكوبالت أيضًا أفضل من غيره لأنه يفي بجميع متطلبات السلامة ويزيد أيضًا من فولطية الخلية إلى 4 فولت ، أي ضعف حجمها مقارنة بخيارات البطارية السابقة.
كان استخدام الكوبالت هو الأكثر أهمية ، ولكن ليس الخطوة الأخيرة في إنشاء بطاريات ليثيوم أيون. بعد أن تعاملوا مع مشكلة ما ، واجه العلماء مشكلة أخرى: كانت الكثافة الحالية منخفضة للغاية لاستخدام خلايا الليثيوم أيون لتكون قابلة للحياة اقتصاديًا. أما الفريق الذي حقق طفرة واحدة فقد حقق الانجاز الثاني: عند خفض سمك الأقطاب الكهربائية إلى 100 ميكرون ، كان من الممكن زيادة القوة الحالية إلى مستوى أنواع البطاريات الأخرى ، بجهد مزدوج وسعة مضاعفة.
الخطوات التجارية الأولى
قصة اختراع بطاريات الليثيوم أيون لا تنتهي عند هذا الحد. على الرغم من اكتشاف ميزوشيما ، لم يكن لدى فريق جودناف عينة جاهزة للإنتاج بالجملة. بسبب استخدام معدن الليثيوم في الكاثود أثناء شحن البطارية ، عادت أيونات الليثيوم إلى الأنود ليس في طبقة زوجية ، ولكن من خلال التشعبات - سلاسل منقوشة ، والتي تسببت في حدوث دائرة كهربائية قصيرة وألعاب نارية.
في عام 1980 ، اكتشف العالم المغربي رشيد يازمي أن الجرافيت يتكيف مع دور الكاثود ، وهو مقاوم للحريق تمامًا. تتحلل بسرعة الشوارد العضوية الموجودة في ذلك الوقت عند ملامسة الجرافيت ، لذلك استبدلهم Yazami بالكهرباء الصلبة. استوحى كاثود Yazami الخاص بالجرافيت من اكتشاف الموصلية البوليمرية للأستاذ هيديكي شيراكاوا ، الذي حصل على جائزة نوبل في الكيمياء. ولا يزال كاثود الجرافيت Yazami يستخدم في معظم بطاريات الليثيوم أيون.
إطلاق في الإنتاج؟ ومرة أخرى لا! بعد مرور 11 عامًا على ذلك ، قام الباحثون بتحسين سلامة البطارية وزيادة الجهد الكهربائي وتجربة مواد الكاثود المختلفة قبل بيع أول بطارية ليثيوم أيون.
تم تطوير العينة التجارية من قبل شركة Sony وعملاق الكيماويات الياباني Asahi Kasei. أصبحت البطارية لكاميرا الفيديو للهواة من سوني CCD-TR1. لقد صمد أمام 1000 دورة شحن ، وكانت السعة المتبقية بعد هذا التآكل أعلى بأربع مرات من تلك الموجودة في نوع مماثل من بطارية النيكل والكادميوم.
حجر عثرة الكوبالت
قبل اكتشاف أكسيد الليثيوم والكوبالت Koichi Mizushima ، لم يكن الكوبالت مطلوبًا كثيرًا بعد المعادن. تم اكتشاف رواسبها الرئيسية على أراضي إفريقيا في الولاية المعروفة الآن بجمهورية الكونغو الديمقراطية. الكونغو هي أكبر مورد للكوبالت - يتم استخراج 54 ٪ من هذا المعدن هنا. بسبب الاضطرابات السياسية في البلاد في 1970s ، ارتفع سعر الكوبالت بنسبة 2000 ٪ ، لكنه عاد في وقت لاحق إلى قيمه السابقة.
ارتفاع الطلب يخلق ارتفاع الأسعار. لم يكن الكوبالت في التسعينات ، ولا في الألفينيات ، أحد المعادن الرئيسية على هذا الكوكب. لكن ما بدأ بتعميم الهواتف الذكية في 2010! في عام 2000 ، كان الطلب على المعادن ما يقرب من 2700 طن سنويا. بحلول عام 2010 ، عندما كانت الهواتف الذكية لأجهزة iPhone و Android تسير بامتياز حول الكوكب ، قفز الطلب إلى 25000 طن واستمر في النمو عامًا بعد عام. الآن يتجاوز عدد الطلبات حجم الكوبالت المباع بنسبة 5 مرات. للرجوع اليها: أكثر من نصف الكوبالت المستخرج في العالم يذهب لإنتاج البطاريات.
الرسم البياني لسعر الكوبالت لآخر 4 سنوات. التعليقات زائدة عن الحاجة. المصدر: Elec.ru
إذا كان متوسط سعر طن الكوبالت في عام 2017 يبلغ 24000 دولار ، فقد ارتفع بشكل حاد منذ عام 2017 ، ووصل في عام 2018 إلى قمة عند حوالي 95،500 دولار. على الرغم من أن الهواتف الذكية لا تستخدم سوى 5-10 غرامات من الكوبالت ، إلا أن ارتفاع أسعار المعادن قد أثر على تكلفة الأجهزة.
وهذا أحد الأسباب التي تجعل شركات صناعة السيارات الكهربائية تشعر بالقلق إزاء انخفاض حصة الكوبالت في بطاريات السيارات. على سبيل المثال ، خفضت Tesla كتلة المعادن النادرة من 11 إلى 4.5 كجم لكل آلة ، وفي المستقبل خطط لإيجاد مركبات فعالة دون الكوبالت على الإطلاق. بحلول عام 2019 ، ارتفع سعر الكوبالت بشكل غير عادي وانخفض إلى قيم عام 2015 ، لكن مطوري البطاريات كثفوا جهودهم لرفض أو تقليل حصة الكوبالت.
في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية ، يمثل الكوبالت حوالي 60 ٪ من الكتلة الكلية. يتألف تركيب المنغنيز الليثيوم والنيكل المستخدم في السيارات من 10٪ إلى 30٪ من الكوبالت ، اعتمادًا على الخصائص المطلوبة للبطارية. تكوين الليثيوم والنيكل والألومنيوم هو 9 ٪ فقط. ومع ذلك ، فإن هذه الخلائط ليست بديلاً تامًا لأكسيد الكوبالت الليثيوم.
مشاكل ليثيوم أيون
حتى الآن ، تعد أنواع بطاريات الليثيوم أيون المختلفة أفضل البطاريات لمعظم المستهلكين. رحيب ، قوي ، مضغوط وغير مكلف ، لا يزال لديهم عيوب خطيرة تحد من نطاق الاستخدام.
خطر الحريق. للتشغيل العادي ، تحتاج بطارية ليثيوم أيون إلى وحدة تحكم في الطاقة لمنع الشحن الزائد وارتفاع درجة الحرارة. خلاف ذلك ، تتحول البطارية إلى شيء قابل للاشتعال للغاية ، وتسعى جاهدة إلى الانتفاخ والانفجار في الحرارة أو عند الشحن من محول ذي جودة رديئة. قد يكون خطر الانفجار العيب الرئيسي لبطاريات الليثيوم أيون. لزيادة السعة داخل البطاريات ، يتم ضغط الترتيب ، مما يؤدي إلى حدوث أضرار طفيفة للقذيفة على الفور تؤدي إلى نشوب حريق. يتذكر الجميع القصة المثيرة من خلال Samsung Galaxy Note 7 ، حيث تم فرك قشرة البطارية بمرور الوقت بسبب اختراقها للقضية ، واختراق الأكسجين داخلها ووميض الهاتف الذكي فجأة. منذ ذلك الحين ، طلبت بعض شركات الطيران نقل بطاريات الليثيوم أيون في حقائب اليد فقط ، وفي رحلات الشحن ، يتم وضع ملصق تحذير كبير على العبوة مع البطاريات.
انخفاض الضغط هو انفجار. شحن هو انفجار. يجب أن تدفع ثمن الطاقة الكامنة للليثيوم مع الاحتياطات.الشيخوخة. بطاريات الليثيوم أيون عرضة للشيخوخة ، حتى لو لم تستخدم. لذلك ، تم شراؤها كهاتف ذكي تم فك تجميعه قبل 10 سنوات ، على سبيل المثال ، أول هاتف iPhone ، سوف يتحمل رسومًا أقل بكثير بسبب شيخوخة البطارية. بالمناسبة ، هناك ما يبرر التوصيات المتعلقة بإبقاء البطاريات مشحونة حتى نصف السعة - عند الشحن الكامل أثناء التخزين الطويل ، تفقد البطارية السعة القصوى بشكل أسرع.
التفريغ الذاتي. يعد تجميع الطاقة في بطاريات الليثيوم أيون وتخزينها لسنوات عديدة فكرة سيئة. من حيث المبدأ ، تفقد جميع البطاريات شحنتها ، لكن ليثيوم أيون يفعل ذلك بسرعة خاصة. إذا فقدت خلايا نيمه 0.08-0.33 ٪ شهريا ، ثم خلايا Li-Ion تفقد 2-3 ٪ شهريا. وبالتالي ، ستفقد بطارية الليثيوم أيون ثلث الشحنة في غضون عام ، وبعد ثلاث سنوات "ستجلس" إلى الصفر. في الإنصاف ، دعنا نقول أن بطاريات النيكل والكادميوم لا تزال أسوأ - 10 ٪ شهريا. لكن هذه قصة مختلفة تماما.
حساسية لدرجة الحرارة. يؤثر التبريد وارتفاع درجة الحرارة بشدة على معايير مثل هذه البطارية: تعتبر درجة حرارة +20 درجة مئوية هي درجة الحرارة المحيطة المثالية لبطاريات الليثيوم أيون ، إذا تم تخفيضها إلى +5 درجة مئوية ، فستوفر البطارية للجهاز طاقة أقل بنسبة 10٪. يأخذ التبريد دون الصفر عشرات من المئة من السعة ويؤثر أيضًا على صحة البطارية: إذا حاولت شحنه ، على سبيل المثال ، من بنك طاقة ، فسيظهر "تأثير الذاكرة" ، وستفقد البطارية سعتها بشكل لا رجعة فيه بسبب تكوين معدن الليثيوم على الأنود. في متوسط درجات الحرارة في فصل الشتاء الروسي ، لا تعمل خلية الليثيوم أيون - اترك الهاتف في يناير في الشارع لمدة نصف ساعة للتحقق من ذلك.
للتغلب على المشكلات الموصوفة ، يقوم العلماء بتجربة مواد من الأنودات والكاثودات. عند استبدال تركيبة الأقطاب الكهربائية ، يتم استبدال مشكلة كبيرة بمشاكل أصغر - تؤدي السلامة من الحرائق إلى انخفاض في دورة الحياة ، كما يقلل تيار التفريغ العالي من استهلاك الطاقة المحدد. لذلك ، يتم تحديد تكوين الأقطاب الكهربائية اعتمادا على تطبيق البطارية.
من سرق الثورة؟
كل عام في قنوات الأخبار ، هناك تقارير تفيد بحدوث طفرة أخرى في إنشاء بطاريات شديدة الاتساع ودائمة - يبدو أن الهواتف الذكية ستعمل لمدة عام دون إعادة شحن ، وشحن في عشر ثوان. وأين هي ثورة البطارية التي يعدها العلماء بالجميع؟
غالبًا ما يشوه الصحفيون الحقائق في مثل هذه التقارير ، متجاهلين أي تفاصيل مهمة للغاية. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون للبطارية ذات الشحن الفوري سعة منخفضة للغاية ، ومناسبة فقط لتشغيل منبه بجانب السرير. أو أن الجهد لا يصل إلى فولت واحد ، على الرغم من أن الهواتف الذكية تحتاج إلى 3.6 فولت. وللحصول على تذكرة حياة ، تحتاج البطارية إلى تكلفة منخفضة وأمان مرتفع ضد الحرائق. لسوء الحظ ، فإن الغالبية العظمى من التطورات كانت أدنى في معلمة واحدة على الأقل ، والتي بسبب البطاريات "الثورية" لم تتجاوز المختبر.
في أواخر القرن العشرين ، جربت Toshiba خلايا وقود الميثانول القابلة لإعادة الشحن (تزود بالوقود بالميثانول في الصورة) ، لكن بطاريات الليثيوم أيون كانت أكثر ملاءمة. المصدر: توشيبا
وبطبيعة الحال ، نترك جانبا نظرية المؤامرة "البطاريات التي لا نهاية لها ليست مربحة للمصنعين." في الوقت الحاضر ، لا يمكن استبدال البطاريات الموجودة في الأجهزة الاستهلاكية (أو بالأحرى ، يمكن تغييرها ، ولكنها صعبة). منذ 10 إلى 15 عامًا ، كان استبدال البطارية التالفة في الهاتف المحمول أمرًا بسيطًا ، ولكن بعد ذلك فقدت مصادر الطاقة قدرًا كبيرًا من الطاقة خلال عام أو عامين من الاستخدام النشط. تدوم بطاريات الليثيوم أيون الحديثة لفترة أطول من متوسط دورة حياة الجهاز. في الهواتف الذكية ، يمكنك التفكير في استبدال البطارية في موعد لا يتجاوز 500 دورة شحن عندما تفقد 10-15٪ من سعتها. وبدلاً من ذلك ، سيفقد الهاتف نفسه أهميته قبل فشل البطارية أخيرًا. وهذا يعني أن الشركات المصنعة للبطاريات لا تكسب عند الاستبدال ، ولكن في بيع البطاريات للأجهزة الجديدة. لذا فإن البطارية "الأبدية" في هاتف عمره عشر سنوات لن تضر بالأعمال.
عودة فريق Goodenough إلى العمل
ولكن ماذا حدث لعلماء مجموعة جون جودنوغ ، الذين اكتشفوا أكسيد الليثيوم والكوبالت ، وبالتالي أعطوا حياة لبطاريات ليثيوم أيون فعالة؟
في عام 2017 ، قال جودناف البالغ من العمر 94 عامًا إنه وزملاءه في جامعة تكساس طوروا نوعًا جديدًا من بطارية الحالة الصلبة التي يمكن أن تخزن 5 إلى 10 أضعاف طاقة بطاريات الليثيوم أيون السابقة. لهذا ، كانت الأقطاب مصنوعة من الليثيوم النقي والصوديوم. وعدت والسعر المنخفض. ولكن لا توجد حتى الآن تفاصيل وتوقعات حول بداية الإنتاج الضخم. بالنظر إلى المسافة الطويلة بين افتتاح مجموعة Gudenaf وبدء الإنتاج الضخم لبطاريات الليثيوم أيون ، يمكن توقع عينات حقيقية خلال 8-10 سنوات.
Koichi Mizushima يواصل البحث في شركة Toshiba Research Consulting Corporation. "إذا نظرنا إلى الوراء ، أدهشني أنه لم يخطر ببالك أحد من قبل باستخدام مواد بسيطة مثل أكسيد الكوبالت الليثيوم على الأنود. بحلول ذلك الوقت ، تمت تجربة العديد من الأكاسيد الأخرى ، لذلك ربما لو لم يكن الأمر كذلك بالنسبة لنا ، لكان شخص آخر قد حقق هذا الاكتشاف في غضون بضعة أشهر ".
حصل كويتشي ميزوشيما على جائزة من الجمعية الكيميائية الملكية لبريطانيا العظمى للمشاركة في إنشاء بطاريات ليثيوم أيون. المصدر: توشيبا
لا يتسامح التاريخ مع الحالة المزاجية ، خاصة وأن السيد ميزوشيما نفسه يعترف بأن طفرة في إنتاج بطاريات الليثيوم أيون أمر لا مفر منه. ولكن لا يزال من المثير للاهتمام أن نتخيل كيف سيكون عالم الالكترونيات المحمولة بدون بطاريات مدمجة وواسعة: أجهزة كمبيوتر محمولة بسماكة عدة سنتيمترات ، وهواتف ذكية ضخمة تحتاج إلى شحن مرتين في اليوم ، ولا توجد ساعات ذكية ، وأساور للياقة البدنية ، وكاميرات الحركة ، وكوادكوبتر و حتى السيارات الكهربائية. كل يوم ، يقوم العلماء في جميع أنحاء العالم بتقريب ثورة جديدة في مجال الطاقة ، والتي ستمنحنا بطاريات أكثر قوة وأكثر إحكاما ، ومعها إلكترونيات مذهلة ، لا يمكننا أن نحلم بها سوى.