تم تطوير بطارية هيكلية متعددة الوظائف من ألياف الكربون بنجاح! ومن المتوقع زيادة نطاق السيارات الكهربائية بنسبة 70%.
عندما يتم تصنيع السيارات أو الطائرات أو السفن أو أجهزة الكمبيوتر من مادة يمكن أن تكون بمثابة بطارية وهيكل حامل، فإن وزنها واستهلاكها للطاقة سينخفضان بشكل كبير. وفقا لورقة نشرت يوم 10 في العدد الأخير منمواد متقدمةحقق فريق بحثي من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد تقدمًا في مجال "تخزين الطاقة بدون كتلة" وقاموا بتطوير بطارية هيكلية متعددة الوظائف من ألياف الكربون. يمكن لهذه البطارية أن تخفض وزن أجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى النصف، أو تجعل الهواتف الذكية رقيقة مثل بطاقات الائتمان، أو تزيد من نطاق السيارات الكهربائية بنسبة 70٪ بشحنة واحدة.
وذكر ريكاردو شودري، الباحث في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا، أن البطارية الهيكلية التي طوروها مصنوعة من مركبات ألياف الكربون، مع صلابة مماثلة للألمنيوم، وكثافة طاقة كافية للتطبيق التجاري. البطارية الهيكلية هي مادة يمكنها تخزين الطاقة وتحمل الأحمال. إن جعل مواد البطارية جزءًا لا يتجزأ من الهيكل الفعلي للمنتج يعني أن منتجات مثل السيارات الكهربائية والطائرات بدون طيار والأدوات المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية يمكن أن تحقق وزنًا أقل.
تعتمد السيارات الكهربائية إلى حد كبير على بطاريات الليثيوم أيون الكبيرة للسفر لمسافات طويلة. أراد الباحثون في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا معرفة ما إذا كان بإمكانهم إنشاء بطارية تعمل كمواد حاملة لتثبيت السيارة معًا مع تقليل الوزن أيضًا. كجزء من مشروع "تخزين الطاقة بدون كتلة"، قام فريق البحث السويدي بتطوير بطارية مصنوعة من مركبات ألياف الكربون. تتمتع هذه البطارية بصلابة مشابهة للألمنيوم ويمكنها تخزين كمية كبيرة من الطاقة، مما يجعلها مناسبة للاستخدام التجاري
من المتوقع أن تقوم بطاريات ألياف الكربون بتخزين الطاقة ودعم الأحمال بشكل مشابه لبطاريات الألومنيوم.
في الواقع، تشتهر ألياف الكربون بخفة وزنها المذهلة وقوتها العالية وصلابتها العالية، مما يجعلها خيارًا شائعًا في المواد الهيكلية والجمالية للمركبات عالية الأداء. وعلى الرغم من تكلفتها العالية، فهي أيضًا مادة بالغة الأهمية في تطبيقات الفضاء الجوي، حيث يكون لكل جرام أهميتها. ومع ذلك، إذا تم تصميمها باستخدام الهندسة الكهروكيميائية لهذا الغرض، فيمكن أيضًا أن تكون بمثابة مادة إلكترود فعالة. قام فريق تشالمرز، بقيادة البروفيسور ليف أسب، بالبحث في هذا المجال لسنوات عديدة ونشر دراسة في عام 2018 أظهرت لأول مرة هذه الخاصية لألياف الكربون بترتيب بلوري محدد.
قام الباحثون Xia Zhenyuan وRicardo Chaudhry والبروفيسور Leif Asp بدراسة مفهوم تخزين الطاقة عديمة الكتلة لسنوات عديدة.
تبلغ كثافة الطاقة للتصميم الجديد للبطارية 30 وات/كجم، وهي ليست عالية بشكل خاص وفقًا لمعايير السيارات. كمرجع، تبلغ كثافة الطاقة المقدرة لحزمة بطارية Hyundai Ioniq 6 التي تبلغ 53 كيلو وات في الساعة 153 وات في الساعة / كجم (PDF). ومع ذلك، فإن هذا الرقم يمثل فقط كثافة الطاقة لحزمة البطارية الموجودة في الصندوق؛ ولإجراء مقارنة عادلة، يجب أيضًا مراعاة وزن هيكل السيارة بأكمله. يهدف تصميم هذه البطارية الهيكلية المصنوعة من ألياف الكربون إلى استبدال الهيكل بأكمله، مما يقلل من الوزن الإجمالي للمركبة مع توفير المساحة.
يمكن لمصنعي السيارات والمعدات الكهربائية الاستفادة من هذه المعادلة الجديدة إما لتقليل وزن المنتج بشكل كبير أو استخدام المساحة المحررة لإضافة المزيد من البطاريات، وبالتالي تعزيز القدرة الإجمالية لتخزين الطاقة.
هذه النتائج يمكن أن تكون ثورية في الممارسة العملية. وذكر أسب: "أجرينا حسابات على السيارات الكهربائية، وتشير النتائج إلى أنه إذا اعتمدت السيارات الكهربائية بطاريات هيكلية تنافسية، فيمكن تمديد وقت قيادتها بنسبة 70% مقارنة بالموديلات الحالية".
تبلغ صلابة النموذج الأولي الأخير للفريق ما يقرب من ثلاثة أضعاف التكرارات السابقة، مع زيادة معامل المرونة من 25 جيجا باسكال إلى 70 جيجا باسكال. ويدعي الفريق أن صلابته وقدرته على التحمل أصبحت الآن قابلة للمقارنة بالألمنيوم، لكنه أخف بكثير.
يستخدم تصميم البطارية هذا ألياف الكربون في كل من الأنود والكاثود، والتي تعمل أيضًا على تعزيز وتوصيل الكهرباء. ونتيجة لذلك، ليست هناك حاجة للمواد الثقيلة مثل النحاس لإنشاء مجمعات التيار، ولا توجد حاجة لاستخدام معادن الصراع مثل الكوبالت في تصميم القطب الكهربائي.
يستخدم تصميم البطارية هذا مواد من ألياف الكربون لكل من الأنود والكاثود.
بالإضافة إلى ذلك، تستخدم هذه البطارية إلكتروليتًا شبه صلب بدلاً من الإلكتروليت السائل لتسهيل حركة أيونات الليثيوم بين الأطراف. ونتيجة لذلك، فهو أقل قابلية للاشتعال وأكثر أمانًا للاستخدام - على الرغم من أن فريق البحث يعترف بأنه لا تزال هناك تحديات في السماح للأيونات بالمرور بسرعة عبر المنحل بالكهرباء لتلبية متطلبات التطبيقات عالية الطاقة. هناك حاجة إلى مزيد من البحث في هذا المجال.
في الواقع، هذه مجرد بطارية نموذجية مختبرية أخرى، لذا سيستغرق تطوير هذه السيارات والأجهزة الكهربائية من الجيل التالي عدة سنوات أخرى. ومع ذلك، يجري بالفعل إنتاجها وتسويقها على نطاق واسع. وفي وقت مبكر من عام 2022، دخلت الجامعة في شراكة مع شركة رأس المال الاستثماري Chalmers Ventures في جوتنبرج لتأسيس شركة جديدة تسمى Sinonus. وعينت هذه الشركة رئيسًا تنفيذيًا جديدًا في يونيو من هذا العام لدفع تسويق تخزين الطاقة بدون كتلة، وهو ما يمكن أن يغير الطريقة التي نصنع بها السيارات والأدوات وحتى شفرات توربينات الرياح.
صرح Asp قائلاً: "يمكننا أن نتصور أن الهواتف المحمولة التي تكون رفيعة مثل بطاقة الائتمان أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة التي تزن فقط نصف ما تزنه الآن هي الأقرب من حيث الجدول الزمني. ويمكن أيضًا تشغيل المكونات مثل الأجهزة الإلكترونية في السيارات أو الطائرات بواسطة الهياكل الهيكلية وسيتطلب ذلك استثمارات كبيرة لتلبية متطلبات الطاقة الصعبة في صناعة النقل، ولكن هذا هو المكان الذي يمكن أن يكون للتكنولوجيا فيه التأثير الأكبر.
