تقنية بطاريات جديدة ستعمل على تقليل أوقات الشحن وتعزيز نطاق المركبات الكهربائية قبل انتهاء العقد

[عبدالله أسحاق]

وقعت باناسونيك صفقة مع Sila Nanotechnologies ستشهد استخدام المركبات الكهربائية في المستقبل لبطاريات ليثيوم أيون ذات أداء أفضل وأطول أمدًا والتي تقوم باستبدال الجرافيت بالسيليكون.

التكنولوجيا التي يمكن أن تزيد المدى بشكل كبير وتقلل من وقت شحن بطاريات السيارات الكهربائية (EV) يمكن أن تكون متاحة قريبًا في العديد من السيارات. تقوم هذه التقنية باستبدال الجرافيت المستخدم عادة في الأنودات السالبة الشحنة لبطاريات الليثيوم أيون EV بالسيليكون.

أعلنت باناسونيك مؤخرًا عن شراكة مع Sila Nanotechnologies، التي تصنع أنودات السيليكون، لدمج التكنولوجيا في خط إنتاج البطاريات الحالي للشركة في عام 2024.

وتم بيع أكثر من 14 مليون سيارة كهربائية في عام 2023، ومن المتوقع أن تزداد شعبيتها في السنوات المقبلة. حاليًا، تستخدم هذه المركبات بطاريات ليثيوم أيون عالية الأداء. في حين أن هذه البطاريات تتحسن يومًا بعد يوم، إلا أن بعض العوائق لا تزال تحد من سهولة استخدامها وملاءمتها.

وقال أزين فهمي، كبير المسؤولين العلميين: "إن قدرة البطارية على تخزين الطاقة فيما يتعلق بحجمها ووزنها، والمعروفة بكثافة الطاقة، هي عامل رئيسي للسيارات الكهربائية، لأنها تؤثر على المسافة التي يمكن أن تغطيها بشحنة واحدة". في Sienza Energy بالولايات المتحدة، والذي يقود فريقًا يعمل على تطبيق أنود السيليكون مختلف عن الذي يبنيه سيلا، قال "هناك جانب آخر مهم وهو كثافة الطاقة، والتي تشير إلى مدى سرعة توفير البطارية للطاقة."

وبعبارة أخرى، إذا كانت السيارة لا تستطيع أن تقطع مسافة طويلة بين الشحنات، فهذا أمر غير مقبول بالنسبة للعديد من المستهلكين. فلماذا يكون لأنود السيليكون الجديد مثل هذا التأثير الكبير على النطاق ووقت الشحن؟

تعتمد البطاريات على حركة الجزيئات المشحونة، المعروفة بالأيونات، بين الأقطاب الكهربائية، أو اثنين من الموصلات الكهربائية. أثناء الشحن، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب (الكاثود)، من خلال محلول موصل يسمى المنحل بالكهرباء، إلى القطب السالب (الأنود)، حيث يتم تخزينها حتى تكون هناك حاجة إلى الطاقة.

وقال فهمي: "عندما توفر البطارية الطاقة لجهاز ما، تتحرك أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى الكاثود". "تسمح حركة الأيونات هذه للإلكترونات بالتدفق عبر الدائرة الخارجية، مما يولد تيارًا كهربائيًا يزود الجهاز بالطاقة."
نظرًا لأنه يتم تخزين الأيونات على القطب الموجب لحين الحاجة إليها لتشغيل السيارة، تلعب مادة الأنود دورًا حاسمًا في أداء البطارية.

وقال فهيمي: "يجب أن تمتلك مادة الأنود الجيدة قدرة تخزين عالية من الليثيوم لضمان كثافة طاقة عالية، وموصلية كهربائية جيدة لتسهيل تدفق الإلكترون الفعال، [و] النقل الأيوني السريع لقدرات الشحن السريع". وأضافت أن الأنود يحتاج أيضًا إلى بنية مستقرة لا يتغير حجمها عندما تتدفق الأيونات داخل وخارجه لأن ذلك قد يؤدي إلى تلف السطح.

تقليديا، تستخدم بطاريات الليثيوم أيون أنودات الجرافيت. إن البنية الطبقية لهذه المادة الموصلة تعني أن الأيونات يمكن أن تتحرك داخل وخارج الأنود دون أن يتغير حجمها كثيرًا.

ومع ذلك، بسبب كيميائيته، يمكن للسيليكون أن يحمل طاقة أكثر بعشرة أضعاف لكل جرام، كما قال فهيمي.

وقال فهمي: "هذه السعة الأعلى تعني أن السيليكون يمكنه تخزين المزيد من أيونات الليثيوم، مما يؤدي إلى كثافة طاقة أعلى للبطارية". "تترجم كثافة الطاقة الأعلى إلى مدى أطول للمركبات الكهربائية بشحنة واحدة."

لسوء الحظ، ينتفخ السيليكون إلى ثلاثة أو أربعة أضعاف حجمه الأصلي عند ملئه بأيونات الليثيوم، مما يؤدي إلى "ضغط ميكانيكي وتدهور في نهاية المطاف لمادة الأنود".

لذلك، يعد التصميم الدقيق على المستوى النانوي لأنود السيليكون أمرًا بالغ الأهمية للتغلب على هذا التحدي. وفي أعمال المتابعة، يعمل فريق فهيمي في سينزا والفرق في سيلا على حل هذه المشكلة.