يعكف الكثير من الباحثين حول العالم بلا كلل لجعل البطاريات التي لا تموت من أداء الجيل التالي للسيارات الكهربائية حقيقة واقعة، لكن هذه القفزة تبدو دائما على بعد بضع سنوات، وهو أمر ليس جيدا لأيّ شخص يتطلع إلى شراء واحدة منها قريبًا.
ومن المستبعد أن يظل الكثيرون عالقين إلى الأبد مع المركبات الكهربائية التي تفقد ثلث مداها في البرد ويستغرق شحنها أحيانًا ساعات فهناك تيار شديد التفاؤل بأن تطوير البطاريات يتحسن كل عام، ما يعد بنقلة كبيرة في الوقت المناسب.
ومثلما ينتج الإطار الأكثر صلابة عمرا أطول ولكن بتماسك أقل، فإن البطارية التي يمكن إعادة شحنها إلى ما لا نهاية قد لا تحتوي على الكثير من الطاقة لكل شحنة، وبالتالي فإن التركيز على اختيار المواد الكيميائية المناسبة قد يبدد بعضا من المخاوف السائدة.
وتحتوى البطارية عادة على خليط من المعادن، والمركبات مسؤولة عن التفاعل الكيميائي الذي يخزن في النهاية الشحنة الكهربائية. كما أن التركيب الكيميائي لتلك المواد هو الذي يحدد، بشكل عام، أداء بطارية معينة عبر المعايير المختلفة.
وتبرز أور نكست أنيرجي (ون) الأميركية كواحدة من الشركات الكثيرة المهتمة بإحداث تغيير، فهي تعمل على تقنيات بطاريات الجيل التالي لتخزين الطاقة بالإضافة إلى استخدام المركبات الكهربائية.
ويحث مجيب إعجاز الرئيس التنفيذي للشركة على التفكير أكثر في تغيير الكيمياء باعتبارها تغييرا في النظام الأساسي للبطارية.
وقال إعجاز لمنصة “موتور ترند” المتخصصة للسيارات “على سبيل المثال، كان حمض الرصاص مختلفا عن هيدريد معدن النيكل وكان مختلفا عن أيون الليثيوم. لدى الليثيوم أيون نكهات ذات قوة أعلى، وبعضها ذو طاقة أعلى. ولديهم تقلبات مختلفة”.
وحتى ضمن نطاق بطاريات الليثيوم أيون، هناك قدر كبير من التنوع بين كيمياء البطاريات الفردية والمواد المستخدمة للمكونات الفردية. وعادةً ما يعني ذلك الأنود والكاثود والكهارل بينهما.
وقال جيسون كولر مدير التكنولوجيا في شركة شيمكس “سيكون للكاثود تأثير كبير على كثافة الطاقة والكلفة والاستقرار الحراري”.
وأضاف “للأنود تأثير كبير على مدى سرعة شحنه، بالإضافة إلى كثافة الطاقة والكلفة إلى حد ما. والأمران سيكون لهما تأثيرات مختلفة على دورة الحياة”.
وتستخدم شركة شيمكس الذكاء الاصطناعي، وخاصة التعلم الآلي، للمساعدة في فرز مجموعات لا نهاية لها من المواد والمواد الكيميائية للعثور على مجموعات مثالية لخلايا البطاريات عالية الأداء.
ومجرد تحسين جانب الكاثود من المعادلة يتضمن العديد من المتغيرات. ويستشهد كولر بالكوبالت، الذي يستخدم كمثبت لزيادة دورة الحياة الفعالة للبطارية. وقال “من الناحية المثالية، نود التخلص منه لأنه معدن الصراع وهو مكلف”.
لكن كولر يرى أن المشكلة “تتمثل عند التخلص من هذا المعدن لأن إقصاءه سيضر ببعض استقرار الأقطاب الكهربائية، لذلك لن يتم الحصول على العديد من دورات الشحن والتفريغ ما لم يتم تحسينها في مكان آخر”.
وفي ضوء ذلك يبدو تحسين البطارية، إذن، يشبه بشكل فعال صيغة رياضية ضخمة ومعقدة، مع مدخلات متعددة كل منها يخلق أبعادًا مختلفة. والحيلة هي العثور على المدخلات الصحيحة بالكميات المناسبة لتوليد أفضل المخرجات.
وقال كولر “لقد أصبح الأمر بمثابة نوع من الفوضى، عند رسم خارطة لمساحة الإدخال عالية الأبعاد هذه لمساحة الإخراج هذه”. وأضاف “هذا هو المكان الذي يتألق فيه التعلم الآلي، لأن هذا هو بالضبط ما يفعله التعلم الآلي: العثور على الارتباطات في البيانات واستخراج العلاقات بين المدخلات والمخرجات”.
وبهذه الطريقة يمكن للباحثين في شيمكس إجراء مئات الآلاف إلى ملايين الاختبارات كل يوم ثم اختيار التركيبات الواعدة فقط لإجراء اختبارات فيزيائية حقيقية.
وطورت الشركة ومقرها ولاية كاليفورنيا الأميركية نموذجًا أوليًا للخلايا التي توفر، عند تحسين دورة الحياة، ضعفين إلى ثلاثة أضعاف عدد دورات الشحن/التفريغ مقارنة بالخلايا التقليدية الحالية.
وعند التمعن في إجراءات شيمكس التي تعطي الأولوية لكثافة الطاقة، فإن خلاياها النموذجية توفر تعزيزا بنسبة 20 في المئة. وبمعنى آخر، البطاريات التي تدوم لفترة أطول أو تجعل سيارتك تسير لمسافات أبعد.
ومن السهل التخمين في البطارية الموجودة داخل السيارة الكهربائية على أنها قطعة كبيرة من الأشياء الضارة، ولكنها في الواقع عبارة عن العديد من الخلايا المختلفة مجتمعة معًا لتشكل بطارية واحدة كبيرة تعمل في النهاية على تشغيل السيارة.
وبالنظر إلى ذلك، وإلى مدى تخصص بعض كيمياء البطارية وبنيتها، كان لدى شركة “ون” فكرة مثالية تتمثل في إنشاء حزمة بطارية واحدة تتكون في الواقع من مجموعتين من خلايا البطارية.
ويتكون نصف العبوة من تركيبة خلية أيون الليثيوم تسمى فوسفات حديد الليثيوم (أل.أف.بي)، وقال إعجاز “لقد عرفت هذه الخلية في الصناعة منذ أكثر من عقدين، أن لديها هيكل كلفة أفضل وسلسلة توريد أفضل وسلامة أفضل ومتانة أفضل وعمر دورة أفضل”.
ومع ذلك أكد أن أحد المشاكل التي فشلت تقنية أل.أف.بي في التغلب عليها هو توفير كثافة طاقة كافية لتحقيق أهداف النطاق.
وتعني كثافة الطاقة المنخفضة عددًا أقل من الأميال من بطارية معينة تزن كمية معينة، مما يعني بطاريات أكبر وأثقل لتوفير نوع النطاق الذي نريده من سيارة كهربائية حديثة.
ولمعالجة هذه المشكلة، يتكون النصف الآخر من حزمة بطارية “ون” من خلايا بطارية تستخدم بنية خالية من الأنود.
ومن خلال إقران تلك الخلايا الخالية من الأنود مع خلايا أل.أف.بي، التي توفر أميالا أقل ولكن عمرًا أطول لإعادة الشحن، ينتج في النهاية ما تسميه “ون”، “بطارية مزدوجة”. وتتمثل الفكرة في النقر على الجانب الخالي من الأنود فقط عندما تحتاج إلى رحلات أطول.
وأحد الحلول الأخرى هو ببساطة الحصول على بطاريات ذات سعة أكبر، بحيث تكون الخسارة الفعالة أقل. ومع ذلك، يرى إعجاز أن تصميمات الأقطاب الكهربائية الأكثر قوة يمكن أن تخفف من ذلك، مما يتيح تقليل توليد الطاقة حتى في درجات الحرارة المنخفضة.
وقال “يمكنك تشغيل السيارة بهذه الطاقة المنخفضة حتى تعالج نفسها عن طريق التسخين الذاتي، مما يرفع درجة الحرارة المحلية إلى القطب الكهربائي”.
وتتضمن بعض تصميمات العبوات المادية الجديدة تسخينًا ذاتيا أكثر تقدما، بما في ذلك رقائق مقاومة تعمل على تدفئة الخلايا من الداخل، مع عيب الكلفة الإضافية والكتلة.
ويقول كولر إن شيمكس تعمل على معالجة هذه المشكلة بالمزيد من الاختلافات الكيميائية إذ أن ضبط تركيبة الإلكتروليت على وجه التحديد مزيج المذيبات، ولكن أيضًا الأملاح والمواد المضافة يمكن أن يوسع نطاق درجة الحرارة.
كما يمكن إضافة مواد إشابة إلى الكاثود لتحسين خصائص نقل الأيونات وقد توصلت الشركة إلى بعض النتائج المثيرة بشأن تحسين الأداء في درجات الحرارة المنخفضة على هذا المنوال.
وعلاوة على ذلك، فإن الخطوة نحو بطاريات الحالة الصلبة قد تساعد في هذا الصدد، إذ تستبدل بطاريات الحالة الصلبة الإلكتروليتات السائلة بمادة صلبة وعدم وجود سائل يعني عدم التجمد.
ومن المفترض أن يؤدي هذا التغيير إلى بطاريات ذات كثافة أعلى أثناء الشحن بشكل أسرع بكثير وتكون أكثر استقرارًا حراريًا أيضًا، مع أداء أكبر في درجات الحرارة المنخفضة وانخفاض خطر الحريق بشكل كبير.
وبعبارة أخرى، يمكنهم، بل ينبغي لهم، أن يقدموا تحسيناً شاملاً في الأداء، ولكن هناك بعض المشاكل، إذ تتطلب حزم الحالة الصلبة ما يصل إلى خمسة إلى عشرة أضعاف كمية الليثيوم التي تتطلبها حزم البطاريات الحالية، وهو مورد نادر للغاية بالفعل.
وفضلا عن ذلك، هناك حاجة إلى المزيد من الأبحاث لمنع تكوين عيوب داخلية تسمى “التشعبات”، والتي تشبه الهوابط المجهرية التي يمكن أن تسبب قصر دائرة البطاريات وفشلها.
وبمجرد حل هذه المشكلات، يمكننا أن ننظر إلى البطاريات ذات الكثافة التي تبلغ ضعفين إلى ثلاثة أضعاف كثافة الخلايا الحالية.
ورغم أن الحالة الصلبة لديها القدرة على إحداث ثورة في عالم السيارات الكهربائية، لكن بطارية الليثيوم أيون المتواضعة اليوم ومشتقاتها المختلفة، مثل أل.أف.بي، لا يزال أمامها طريق طويل لتقطعه.
ويعتقد إعجاز أن هناك دائما مجالًا للنمو. وقال “إذا نظرت إلى الوراء وفكرت في التحسن على أساس سنوي، فستجد أن البطاريات قد تحسنت بنسبة 6 في المئة على أساس سنوي في المتوسط، وكانت المواد تتطور. لذلك فإننا لم ننتهي بأي حال من الأحوال”.
