 |
| أزمة البطارية وما مستقبلها |
معضلة كبيرة أن ينتهي شحن هاتفك و أنت في الخارج، أو شحن سيارتك في مكان بعيد دون أن تنتبه. إنه حقا لأمر مزعج و مثير للغضب أحياناً. ثم ستبدأ بالبحث عن أول مصدر ثابت للطاقة يخفف من وطأة ما تمر به.
لكن الى متى ستبقى أزمة البطارية هذه قائمة !؟ هذا هو السؤال مؤرق حقا سواء لنا، للعلماء أو الشركات التكنولوجية بشكل خاص.
فأين تكمن المعضلة ؟ و هل هناك حقاً حلول مستقبلية تبشر بتلاشي بوادر مشكل البطارية المستمر الى اليوم؟.
المفهوم العام للبطارية وصدفة اكتشاف تخزين الطاقة
بشكل مبسط، هي جهاز كهربائي يعمل على تخزين الطاقة الكهربائية في شكل كيميائي لتحول الى طاقة كهربائية عند الاستعمال، عبر تفاعل كهروكيميائي مولدتا تيارا كهربائي مستمر يستخدم في مختلف الأجهزة و المعدات …
في المختبر قام جدال بين العالمان الإيطاليان لويجي غالفاني و ألكسندرو فولتا حول مصدر حركة قدم ضفدع عند قطعه ليقوم فولتا بتجربته. حين قام بوضع شرائح من الزنك Zn و النحاس Cu فوق بعضها يفصل بينها بطبقة من محلول حمضي.
لاحظ فولتا بعد ربط القطبين أن الالكترونات الحرة ترحل من زنك Zn بعملية Oxydation و تتجه نحو النحاس Cu بعملية تسمى Reduction ( مع مساهمة المحلول طبعا) الى أن انتهت العملية.
حدث هذا سنة 1800م وأنشأ أول بطارية تعرف بالكومة الفولتية "voltaic pile" ليعلن انطلاق البحوث و الدراسات حول براءة الاختراع هذه.
شرح مبدأ عمل البطارية
كما ذكرنا سابقا فإن جميع البطاريات بمختلف أنواعها و خصائصها تعمل بنفس المبدأ و هو هجرة الإلكترونات من القطب السالب الى القطب الموجب اللذين يفصل بينهما إلكتروليت ( فاصل بمواد مدروسة ) هذا عند التفريغ.
أما عند الشحن أي بعد وصلها بمصدر طاقة كهربائية مستمر يتم قلب العملية، و هنا و كأنك تعيد الالكترونات للقطب السالب الذي فقدها، و تستمر الحلقة بين الشحن و التفريغ الى غاية انتهاء عمر البطارية.
|
| مبدأ شحن و تفريغ البطارية |
أنواع البطاريات
هناك نوعين أساسيين من البطاريات:
البطاريات الأولية:
و هي البطاريات الغير قابلة للشحن، لها مستوى طاقة ضعيف نوعا ما لكنها تتميز بالإستمرارية و العيش لأطول فترة ممكنة تستعمل كثيرا في الساعات و الدوائر الإلكترونية.
البطاريات الثانوية:
و هي القابلة للشحن لها عمر أقصر مثل بطاريات الهواتف و السيارات و لها أنواع:
- بطارية حمض الرصاص.
- بطارية ليثيوم أيون.
- بطارية نيكيل كاديوم.
- بطارية هيدريك النيكل.
تطويرها المحدود
ربما تصنف البطارية من أسوء المجالات تطوراً في عالم التكنولوجيا فقد تطور العالم لمعدات و إنجازات مذهلة في شتى قطاعات العلمية من معدات متنقلة، منازل ذكية، أجهزة لوحية، الى رقاقات نانومترية و أنظمة تشغيل موفرة للطاقة لكن مجال البطاريات في حد ذاته كان بطيئا نوعا ما.
فبعد تجربة فولتا أخذ العلماء في التقدم فقط بتغيير مواد و خصائص الكترودين و تعويض المحلول الفاصل و تطويره الى مواد مختلفة صلبة مثلا أو مواد أخرى ذات خصائص أقوى و متطورة دون إحداث ثورة أو تغيير كبيرعن المبدأ الأساسي .
أين تكمن مشكلة البطارية ؟
من حيث المبدأ فجميعها متوافقة، أما الاختلاف فيكمن في سعة البطارية فمثلا واحدة بسعة 4A/h و الثانية بـ 20A/h و غيرها و هذا يعني أنها تعطيك 4 أومبير في ساعة أو 2 أومبير في نصف ساعة و ههكذا مع تناقص هذه السعة مع مرور الزمن، و هناك اختلاف أيضا في خصائص المواد المستعملة.
فهناك مواد تفقد مميزاتها من أول استخدام يمكن استعمالها لإنشاء وميض أو فلاش مثلا، و منها ضعيف القدرة طويلة أمد تستعمل لأجهزة الحماية مثلا كما هناك أيضا خصائص لبطاريات تعمل بكفائة أكبر متجمعة كبطاريات الليثين أيون و أخرى أفضل منفردة كتلك مصنعة من نيكيل كاديوم.
أساس أزمة البطارية
- أولا عمر البطارية ينقص مع مرور الزمن و هذا راجع للمواد المصنعة من سوائل كيميائية و اشباه الموصلات التي تتأثر بالمؤثرات الخاجية.
- ثانيا عدد دورات الشحن، و في هذه النقطة أعطت بطاريات ليثيوم أيون أرقام متقدمة تصل لــ 1000 دورة، ( دورة شحن ليست من 0 الى 100% لكن الشحن الآن بـ 60% ثم بعد مدة تشحن بـ40% فهذا ما يمكن اعتباره دورة ).
- ثالثا يؤثر كل من الوسط الحراري و نوعية الشاحن على أداء البطارية، كما ذكرت أيضا الدراسات وجود مقاومة تنتجها بعض الطفيليات مجهولة المصدر تزداد هذه الأخيرة مع مرور الوقت و تؤثر على كفاءتها.
و هناك العديد من الدراسات و الأبحاث المعقمة و التي تشرح هذه الإشكالية بشكل أعمق.
الحلول المقترحة المنتظرة لحل أزمة البطارية ؟
بطاريات أيون الصوديوم
يعمل العلماء في اليابان على أنواع جديدة لا تحتاج إلى الليثيوم مثل بطارية هاتفك الذكي، ستستخدم هذه البطاريات الجديدة الصوديوم.
وهو أحد أكثر المواد شيوعًا على كوكب الأرض بدلاً من الليثيوم النادر - وستكون أكثر كفاءة بسبع مرات من البطاريات التقليدية، و من المتوقع أن يبدأ تسويق البطاريات للهواتف الذكية والسيارات والمزيد في السنوات الخمس إلى العشر القادمة.
قطب الأنبوب النانوي الكربوني المحاذي عموديًا
صممت NAWA Technologies وحصلت على براءة اختراع لقطب الكربون فائق السرعة. يُقال إنه يغير قواعد اللعبة في سوق البطاريات وتقول NAWA إنه يمكن أن يعزز طاقة البطارية عشرة أضعاف، ويزيد من دورة حياة البطارية خمس مرات.
ترى الشركة أن السيارات الكهربائية هي المستفيد الرئيسي، مما يقلل من
انبعاثات الكربون وتكلفة إنتاج البطاريات ، مع تعزيز الأداء، و سرعة
الشحن.
بطارية ليثيوم أيون خالية من الكوبالت
طور باحثون في جامعة تكساس بطارية ليثيوم أيون لا تستخدم الكوبالت في
كاثودها. وبدلاً من ذلك، تحولت إلى نسبة عالية من النيكل، حيث يقول
الفريق إنهم تغلبوا على المشاكل الشائعة مع هذا الحل ، مما يضمن عمر بطارية
جيد وتوزيعًا متساويًا للأيونات.
خطوة أقرب إلى بطاريات الليثيوم أيون السليكونية
سعياً للتغلب على مشكلة السيليكون غير المستقر في بطاريات أيونات الليثيوم، طور باحثون في جامعة شرق فنلندا طريقة لإنتاج أنود هجين بهدف استبدال الجرافيت باعتباره الأنود في البطاريات واستخدام السيليكون.
تبلغ سعته عشرة أضعاف السعة، ويؤدي استخدام هذه المادة الهجينة إلى تحسين
أداء البطارية ، بينما يتم إنتاج مادة السيليكون بشكل مستدام من رماد قشر
الشعير.
uBeam على الشحن الجوي
يستعمل uBeam الموجات فوق الصوتية لنقل الكهرباء تتحول الطاقة إلى موجات صوتية،
غير مسموعة للإنسان والحيوان، لتنتقل وتحول مرة أخرى إلى طاقة عند
وصولها إلى الجهاز.
تم اكتشاف مفهوم uBeam بواسطة خريجة علم الأحياء
الفلكية البالغة من العمر 25 عامًا ميريديث بيري. بدأت الشركة التي ستتيح
شحن الأجهزة عبر الهواء باستخدام لوحة بسمك 5 مم، يمكن توصيل أجهزة الإرسال
بهذه بالجدران، أو تحويلها إلى فن زخرفي لنقل الطاقة إلى الهواتف الذكية
وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. تحتاج الأدوات فقط إلى جهاز استقبال رفيع لتلقي
الشحن.
البطارية القابلة للطي تشبه الورق ولكنها متينة
تم تطوير بطارية Jenax J.Flex لجعل الأجهزة القابلة للانحناء ممكنة. يمكن طي البطارية التي تشبه الورق
وهي مقاومة للماء مما يعني أنه يمكن دمجها في الملابس والأجهزة القابلة
للارتداء. تم إنشاء هذه البطارية بالفعل وتم اختبار سلامتها ، بما في ذلك
طيها أكثر من مرة دون فقدان الأداء.
ختاماً، في انتظار العاجل القريب الذي ربما سيكون مشرقاً أكثر مما هو حانا الآن. وبعيداً عن التصورات الخيالية السابقة لأوانها جدا عن بطاريات
خـــالدة.
المصدر
↚