الطاقة
تصميم بطارية أفضل – خارج الكوبالت وداخل … TAQ؟
قام الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) مؤخرًا بتطوير نوع جديد من تقنية البطارية التي تتخلى عن الحاجة إلى المعادن النفيسة. في مكانهم؟ كاثود عضوي يُعرف باسم بيس-تترا أمينو بنزوكينون أو “TAQ”.
أهمية البطاريات
مع صعود المركبات الكهربائية (EVs) – إلى حد كبير بفضل شركة تيسلا الأمريكية وشركة باي دي والشركة الصينية CATL – أصبحت تقنية البطارية أكثر أهمية من أي وقت مضى لأنها ذات صلة لا فقط لأجهزة الإلكترونيات، ولكن أيضًا للتنقل. وقريباً للشبكة الكهربائية أيضاً، من أجل موازنة عدم انتظام الطاقات المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية.
مبيعات السيارات الكهربائية العالمية – مصدر: IEA
حتى يومنا هذا، الكيمياء السائدة للبطاريات هي تقنية الليثيوم أيون. هذا لأن هذه البطاريات هي واحدة من أكثر البطاريات كثافة طاقة متاحة عند قياسها في kW / kg. هذا المقياس هو الأكثر أهمية في تطبيقات التنقل، لأن كل كيلوغرام إضافي من البطارية يعني حاجة إلى بطارية أكثر و / أو نطاق أقل.
لذلك، منذ أن أثبتت السيارات الكهربائية أنها التكنولوجيا المحتملة للمستقبل للسيارات (وربما الشاحنات والطائرات أيضاً)، بذلت جهود كبيرة لتحسين تقنية البطارية.
التنازل عن الليثيوم أيون؟
على الرغم من كثافة الطاقة العالية، فإن تقنية الليثيوم أيون التقليدية ليست خالية من العيوب. هناك قائمة من المشاكل التي يجب حلها:
- الكثافة لا تزال منخفضة نسبيًا بالمقارنة مع الوقود السائل مثل البنزين والديزل، مما يسبب قلقًا بشأن النطاق.
- الشحن يمكن أن يكون بطيئًا إلى حد ما، وهو مشكلة للعديد من السائقين والتطبيقات التجارية.
- البطاريات باهظة الثمن، إلى حد كبير بسبب الحاجة إلى معادن باهظة الثمن.
- 导致ت السيارات الكهربائية في البداية أكثر مثل السلع الفاخرة منها سلع استهلاكية عادية.
- تعدين هذه المعادن نادرًا ما يكون صديقًا للبيئة وغالبًا ما يأتي مع ظروف عمل سيئة واستغلال للعمال الفقراء أو الأطفال في المناجم، خاصة في حالة الكوبالت في الكونغو.
نتيجة لذلك، تم النظر في العديد من الكيميائيات البديلة. هذا يشمل ويتضمن:
- LFP (ليثيوم حديد الفوسفات)
- ايون الصوديوم
- البطاريات الصلبة
- ليثيوم كبريت
- غرافين
- بطاريات الزجاج
أكسدة الألومنيوم تم مناقشتها كبديل للبطاريات بشكل عام. ومع ذلك، فإن جميع هذه البديلات لها قيود. يمكن أن يشمل ذلك عمرًا أقصر، صعوبة التصنيع، إلخ.
(ناقشنا بالتفصيل المزايا والقيود لكل هذه التكنولوجيات في مقالنا “مستقبل التنقل – تقنية البطارية”).
الأكثر وعدًا، مثل البطاريات الصلبة، لا تزال في مرحلة تجريبية، والأخرى جاهزة للتسويق، مثل LFP وايون الصوديوم، تعاني من كثافة طاقة أقل من الليثيوم أيون.
هناك احتمال وجود سوق لهذه البطاريات منخفضة الكثافة، لأنها أيضاً أرخص في الإنتاج. شركة CATL الصينية، التي تنتج أكثر من نصف بطاريات الكوكب، هي واحدة من الرائدين في هذا المجال. ناقشنا الرائدين في صناعة البطاريات في مقالنا “أفضل 10 أسهم بطاريات للاستثمار فيها”.
ومع ذلك، في النهاية، السيارة الكهربائية المثالية ستكون بطارية رخيصة وقوية. هذا المزيج سيكون مطلوبًا على الأرجح لاستبدال محرك الاحتراق الداخلي بشكل كامل، خاصة في التطبيقات التجارية.
مشكلة كاثود الليثيوم أيون
معظم قيود الليثيوم أيون تأتي من الخواص الكيميائية والفيزيائية لجزء الكاثود من البطارية. إنها الكاثود التي تتطلب عادة الكوبالت، وحتى في البديلات المحتملة الخالية من الكوبالت، تعتمد بشكل كبير على معادن أخرى مكلفة مثل النيكل والمغنيسيوم.
(ناقشنا المعادن المطلوبة للتحول إلى السيارات الكهربائية والطاقة المتجددة في مقالنا “أفضل 10 معادن بطارية وطاقة متجددة”)
تتطلب هذه المعادن أن تُستخرج، وتسبب تلوثًا، وغالبًا ما تكون ظروف العمل سيئة. إنها سامة أيضًا، مما يجعل إعادة تدوير البطاريات مهمة أكثر تعقيدًا.
مصدر: Visual Capitalist
لقد كان الباحثون يبحثون في بدائل كربونية، أو ما يسمى الكاثودات العضوية. حتى الآن، هذا كان غير ناجح إلى حد ما، لأن الكاثودات العضوية كانت إما منخفضة الكثافة أو غير قادرة على تحمل التكامل مع دورات الشحن والتفريغ المتكررة للسيارات الكهربائية.
قد يتغير هذا بفضل الاكتشاف المذكور أعلاه بواسطة باحثي MIT.
نوع جديد من الكاثود العضوي
الأستاذ ميرسيا دينكا، يعمل في منصب أستاذ الطاقة في MIT، قام مؤخرًا بدراسة مركبات عضوية جديدة لم تُختبر من قبل لاستخدامات الكاثود. بدلاً من المركبات العضوية السابقة التي تم استكشافها، مثل المركبات العضوية الكبريتية والكربونيل، لقد نظر في مركب يسمى TAQ (بيس-تترا أمينو بنزوكينون). كان فريق د. دينكا قد أظهر في السابق إمكانات هذا المركب كمواد مكثفة.
TAQ له إمكانات كبيرة للاستخدام في البطاريات، لأنه يشكل “هياكل صلبة متعددة الطبقات يمكن أن تتنافس بشكل محتمل مع أداء الكاثود التقليدية القائمة على الكوبالت.”
بحد ذاته، هذا لم يكن كافياً. لقد وجد باحثو MIT أيضًا كيفية تحسين الالتصاق بين TAQ ومجمع التيار الفولاذي للكاثود، مما يحسن استقرار نموذج الكاثود الجديد.
من خلال إضافة مواد تحتوي على السيلولوز والمطاط إلى TAQ، لقد حققوا بأمان أكثر من 2000 دورة شحن وتفريغ. كانت كثافة الطاقة أعلى أيضًا من الكاثودات القائمة على الكوبالت، وتم الشحن في أقل من 6 دقائق.
ماذا بعد؟
هذا هو، حتى الآن، نموذج أولي مخبري، وستكون هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتحويله إلى حجم حقيبة بطارية كاملة – وحتى مجهود أكبر لمعرفة كيفية إجراء عملية تصنيع متوسعة لهذه الكيمياء الجديدة للبطارية.
ومع ذلك، هذا هو أحد أولى المرات التي تتنافس فيها كاثود عضوي مع تصاميم الليثيوم أيون القائمة على الكوبالت في كل مقياس مهم: كثافة الطاقة، وتكلفة المواد، وسرعة الشحن.
هذا يظهر أن كيمياء الليثيوم أيون يمكن أن تبقى الكيمياء الرئيسية للبطارية، طالما أنها يمكن أن تحل مشكلة اعتمادها على المعادن التي تسبب مشاكل أخلاقية وبيئية.
أمر آخر يثبته البحث بواسطة د. دينكا هو أن الكاثودات العضوية لها إمكانات كبيرة، مع إمكانية آلاف المركبات العضوية الأخرى التي لم تُختبر بعد لهذا التطبيق. حتى لو انتهى TAQ إلى عدم كفاية لاستبدال الكوبالت والنيكل، قد تحقق مركبات كيميائية أخرى مشابهة ل TAQ ذلك.
تصاميم الليثيوم أيون تنتفع أيضًا من سلسلة إمداد وتصنيع موجودة مسبقًا. ومن السهل تغيير الكاثود أكثر من إعادة بناء مصانع البطاريات من الصفر لتسريع كيميائيات جديدة.
كما أنه من الجدير بالذكر أن الكاثودات العضوية تم مناقشتها لأنواع بطاريات أخرى، على سبيل المثال، ل أيون الألومنيوم، أيون الصوديوم / البوتاسيوم، الزنك، أو البطاريات الثنائية القائمة على الكالسيوم. لذلك، من الممكن أن تُطبق اكتشاف خصائص TAQ على أنواع بطاريات أخرى غير الليثيوم أيون.
شركات الكاثود العضوي
فولكس فاجن
تم تمويل بحث د. دينكا بواسطة شركة لامبورغيني، شركة فرعية لشركة أودي، التي تملكها مجموعة فولكس فاجن. تم تقديم طلب патент لتقنية الكاثود العضوي.
شركة فولكس فاجن هي ثاني أكبر شركة لصناعة السيارات في العالم، بعد شركة تويوتا فقط. كانت الشركة، لبعض الوقت، متأخرة في تقنية السيارات الكهربائية، ولكنها عملت بجد للاستمرار منذ ذلك الحين، لا سيما مع سلسلة سيارات ID وعدد من الطرازات الهجينة.
مصدر: فولكس فاجن
تخطط مجموعة فولكس فاجن لإنتاج السيارات الكهربائية فقط في أوروبا بحلول عام 2033.
التعاون مع باحثي MIT هو واحد من العديد من التعاونات، بما في ذلك:
- شراكة مع رينو لسيارة كهربائية تبلغ تكلفتها 20,000 يورو.
- استثمار بقيمة 700 مليون دولار في شركة زيبنج الصينية لتعزيز مبيعات السيارات الكهربائية في الصين.
- شراكة مع شركة سايك موتور الصينية لتوفير منصات السيارات الكهربائية لشركة فولكس فاجن.
- شراكة مع شركة جيتا موتور للاستحواذ على تقنية السيارات الكهربائية.
- شراكة بقيمة 492 مليون دولار مع شركة ماجنا لإحياء سيارات سكاوت الساحقة كسيارات كهربائية
مع خططها الطموحة المتعلقة بالسيارات الكهربائية ووصولها إلى تقنية السيارات الكهربائية المتقدمة من الشركات الصينية الرائدة، فإن شركة فولكس فاجن في وضع جيد للنظر في تقنية الكاثود العضوي المبتكرة بواسطة MIT والعمل على نشرها على نطاق واسع في سياراتها الكهربائية المستقبلية.
شركات الكاثود العضوي الأخرى
في حين أنها لا تطور كاثودات جديدة، تعمل شركتان على استخدام المركبات العضوية لتحسين أداء الأنود، ستور دوت و إينرجي إكس.
