الطاقة
تصميم بطارية أفضل – وداعًا للكوبالت ومرحبًا بـ…TAQ؟
الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) قاموا مؤخرًا بتطوير نوع جديد من تكنولوجيا البطاريات يلغي الحاجة إلى المعادن الثمينة. بدلاً منها؟ كاثود عضوي يُعرف باسم بيس-تترا أمينوبنزوكينون أو ‘TAQ’.
أهمية البطاريات
مع صعود السيارات الكهربائية (EVs) – بفضل شركة تسلا الأمريكية وشركة BYD وCATL الصينية – أصبحت تكنولوجيا البطاريات أكثر أهمية من أي وقت مضى لأنها ذات صلة ليس فقط بالإلكترونيات، بل أيضًا بالتنقل. وقريبًا أيضًا لشبكة الكهرباء، لتوازن تقلبات الطاقة المتجددة مثل الرياح والطاقة الشمسية.
حتى اليوم، الكيمياء السائدة للبطاريات هي تقنية الليثيوم-أيون. ذلك لأن هذه البطاريات هي من بين الأكثر كثافة طاقة عندما تُقاس بالكيلوواط/كغ. هذا المقياس هو الأكثر أهمية في تطبيقات التنقل، حيث يعني كل كيلوغرام إضافي من البطارية الحاجة إلى بطارية أكبر و/أو تقليل المدى.
لذلك، بما أن السيارات الكهربائية أثبتت أنها التقنية المستقبلية الرئيسية للسيارات (وربما الشاحنات وحتى الطائرات)، تم بذل جهد كبير لتحسين تكنولوجيا البطاريات.
التخلي عن الليثيوم-أيون؟
على الرغم من كثافتها العالية، فإن تقنية الليثيوم-أيون التقليدية ليست خالية من العيوب. هناك قائمة بالمشكلات التي يجب حلها:
- الكثافة لا تزال منخفضة نسبيًا مقارنة بالوقود السائل مثل البنزين والديزل، مما يسبب قلق المدى.
- يمكن أن تكون عملية الشحن بطيئة إلى حد ما، وهو مشكلة للعديد من السائقين والتطبيقات التجارية.
- البطاريات مكلفة، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى الحاجة إلى معادن باهظة الثمن.
- هذا جعل السيارات الكهربائية في البداية أكثر كسلًا من سلعة فاخرة بدلاً من سلعة استهلاكية عادية.
- غالبًا ما يكون استخراج هذه المعادن غير صديق للبيئة وغالبًا ما يصاحبه ظروف عمل مروعة واستغلال للعمال الفقراء أو الأطفال في المناجم، خاصة في حالة الكوبالت في الكونغو.
نتيجة لذلك، تم النظر في العديد من الكيميائيات البديلة. وهذا يشمل وليس محصورًا على،
- LFP (ليثيوم-حديد/فوسفات الحديد)
- صوديوم-أيون
- بطاريات صلبة
- ليثيوم-كبريت
- غرافين
- بطاريات زجاجية
أكسدة الألمنيوم تم مناقشتها أيضًا كبديل للبطاريات تمامًا. ومع ذلك، جميع هذه البدائل لها حدودها. قد تشمل عمرًا أقصر، صعوبة في التصنيع، إلخ.
(ناقشنا بالتفصيل مزايا وقيود كل من هذه التقنيات في مقالتنا “مستقبل التنقل – تكنولوجيا البطاريات”).
الأكثر وعدًا، مثل البطاريات الصلبة، لا تزال في مرحلة تجريبية، والأنواع الجاهزة للتسويق، مثل LFP وصوديوم-أيون، تعاني من كثافة طاقة أقل من الليثيوم-أيون.
من المحتمل أن يكون هناك سوق لهذه البطاريات ذات الكثافة الأقل، لأنها أيضًا أرخص كثيرًا في الإنتاج. الشركة الصينية CATL (300750.SZ)، التي تنتج أكثر من نصف بطاريات الكوكب، هي من الرواد في هذا المجال. ناقشنا الشركات الرائدة في تصنيع البطاريات في مقالتنا “أفضل 10 أسهم بطاريات للاستثمار فيها”.
مع ذلك، في النهاية، سيحتاج السيارة الكهربائية المثالية إلى بطارية رخيصة وقوية في آنٍ واحد. من المحتمل أن تكون هذه التركيبة ضرورية لاستبدال محرك الاحتراق بالكامل، خاصةً في التطبيقات التجارية.
مشكلة كاثود الليثيوم-أيون
معظم قيود الليثيوم-أيون تنبع من الخصائص الكيميائية والفيزيائية لجزء الكاثود في البطارية. الكاثود هو ما يتطلب عادةً الكوبالت، وحتى في البدائل المحتملة الخالية من الكوبالت، يعتمد غالبًا على معادن مكلفة أخرى مثل النيكل والمغنيسيوم.
(تمت مناقشة المعادن المطلوبة للانتقال إلى السيارات الكهربائية والطاقة المتجددة بمزيد من التفصيل في مقالتنا “أفضل 10 معادن للبطاريات وأسهم تعدين الطاقة المتجددة”)
هذه المعادن تحتاج إلى استخراج، وتسبب تلوثًا، وغالبًا ما تكون ظروف العمل سيئة. كما أنها سامة، مما يجعل إعادة تدوير البطاريات مهمة أكثر تعقيدًا.
المصدر: Visual Capitalist
كان الباحثون يبحثون عن بدائل قائمة على الكربون، أو ما يُسمى كاثودات عضوية. حتى الآن، كان ذلك غير ناجح إلى حد كبير، حيث إن الكاثودات العضوية إما منخفضة جدًا في كثافة الطاقة أو غير متينة بما يكفي للاستخدام في سياق دورات الشحن والتفريغ المتكررة للسيارات الكهربائية.
قد يكون ذلك قد تغير، بفضل الاكتشاف المذكور أعلاه من قبل باحثي MIT.
نوع جديد من الكاثود العضوي
الأستاذ ميرسيا دينكا، يعمل كأستاذ طاقة W.M. Keck في MIT, استكشف مؤخرًا مركبات عضوية جديدة لم تُختبر من قبل لتطبيقات الكاثود. بدلاً من المركبات العضوية الكبريتية والكربونيل التي تم استكشافها سابقًا، نظر إلى مركب يُدعى TAQ (بيس-تترا أمينوبنزوكينون). وقد أظهر فريقه سابقًا إمكانات هذا الكيميائي كمادة للمكثفات الفائقة.
لـ TAQ إمكانات كبيرة للاستخدام في البطاريات، حيث يشكل “هياكل صلبة طبقية يمكن أن تنافس أداء الكاثود التقليدي القائم على الكوبالت.”
في حد ذاته، لم يكن هذا كافيًا. كما وجد باحثو MIT طريقة لتحسين التلاصق بين TAQ ومجمع التيار المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ في الكاثود، مما يعزز استقرار نموذج الكاثود التجريبي الجديد.
من خلال إضافة مواد تحتوي على السليلوز والمطاط إلى TAQ، تمكنوا بأمان من تحقيق أكثر من 2,000 دورة شحن وتفريغ. كما كانت كثافة الطاقة أعلى من الكاثودات القائمة على الكوبالت، واستغرق الشحن أقل من 6 دقائق.
ما التالي؟
هذا، في الوقت الحالي، نموذج مختبري، وستحتاج إلى مزيد من العمل لتوسيع حجمه إلى حجم حزمة بطاريات السيارات الكهربائية الكاملة—وحتى جهد إضافي لمعرفة كيفية إنشاء عملية تصنيع موسعة لهذه الكيمياء الجديدة للبطاريات.
مع ذلك، هذه من بين أولى المرات التي يتفوق فيها كاثود عضوي على تصاميم الليثيوم-أيون القائمة على الكوبالت في كل معيار مهم: كثافة الطاقة، تكلفة المواد، وسرعة الشحن.
هذا يُظهر أن كيمياء الليثيوم-أيون قد تظل الكيمياء السائدة للبطاريات، طالما يمكنها حل اعتمادها على المعادن التي تسبب مشكلات أخلاقية وبيئية.
شيء آخر يثبتها بحث الأستاذ دينكا هو أن الكاثودات العضوية لديها إمكانات كبيرة، مع احتمال وجود آلاف المركبات العضوية الأخرى التي لم تُختبر بعد لهذا التطبيق. لذا حتى إذا كان TAQ غير كافٍ لإزاحة الكوبالت والنيكل، قد تحقق مواد كيميائية مشابهة لـ TAQ ذلك.
تصاميم الليثيوم-أيون تستفيد أيضًا من سلسلة إمداد هائلة موجودة مسبقًا وقاعدة تصنيع واسعة. وسيكون من الأسهل بكثير تغيير الكاثود فقط بدلاً من إعادة بناء مصانع البطاريات من الصفر لاستيعاب الكيميائيات الجديدة. لذا، تحسين الليثيوم-أيون قد يكون منطقيًا من منظور الأعمال.
ومن الجدير بالذكر أيضًا أن الكاثودات العضوية نوقشت لأنواع أخرى من البطاريات، على سبيل المثال، للبطاريات ألمنيوم-أيون، صوديوم/بوتاسيوم-أيون، زنك، أو ثنائي أيون قائم على الكالسيوم. لذا، من الممكن أن يتم تطبيق اكتشاف خصائص TAQ على أنواع بطاريات أخرى غير الليثيوم-أيون.
في أي حال، المكونات العضوية في البطاريات ستجعلها أسهل في إعادة التدوير، وهي قضية (فرصة استثمارية) استكشفناها بعمق في مقالتنا “معالجة معضلة الليثيوم-أيون: التخلص من خلايا البطاريات المتعطلة في عالم يزداد كهربائيًا”.
شركات الكاثود العضوي
فولكس فاجن AG
تم تمويل بحث الأستاذ ميرسيا دينكا من قبل Automobili Lamborghini S.p.A.، وهي شركة تابعة لأودي، مملوكة لمجموعة فولكس فاجن. تم تقديم طلب براءة اختراع لتقنية الكاثود العضوي بالفعل.
صانع السيارات الألماني هو ثاني أكبر منتج للسيارات في العالم، بعد تويوتا فقط. كانت الشركة، لفترة من الوقت، متأخرة في تكنولوجيا السيارات الكهربائية لكنها عملت بجد لتلحق بالركب منذ ذلك الحين، لا سيما مع سلسلة سيارات ID والعديد من الطرازات الهجينة أيضًا.
المصدر: Volkswagen
بحلول عام 2033، مجموعة فولكس فاجن تخطط لإنتاج سيارات كهربائية فقط في أوروبا.
التعاون مع باحثي MIT هو مجرد واحد من بين العديد، مع شراكات أخرى حول السيارات الكهربائية تشمل:
- شراكة مع رينو لسيارة كهربائية بقيمة 20,000 يورو.
- استثمار بقيمة 700 مليون دولار في شركة Xpeng الصينية لتعزيز مبيعات السيارات الكهربائية في الصين.
- شراكة مع شركة SAIC Motor الصينية لتزويد فولكس فاجن.
- شراكة مع Jetta Motor للحصول على تقنية السيارات الكهربائية.
- شراكة بقيمة 492 مليون دولار مع Magna لإعادة إحياء سيارات Scout SUV الأيقونية كسيارة كهربائية
مع خططها الطموحة فيما يتعلق بالسيارات الكهربائية والوصول إلى تكنولوجيا سيارات كهربائية متقدمة من الشركات الصينية الرائدة، تقع فولكس فاجن في موقع جيد للنظر في تقنية الكاثود العضوي الحاصلة على براءة اختراع من MIT والعمل على نشرها على نطاق واسع في سياراتها الكهربائية المستقبلية.
شركات البطاريات العضوية الأخرى
بينما لا تقوم بتطوير كاثودات جديدة، تعمل شركتان ناشئتان على استخدام مركبات عضوية لتحسين أداء الأنود، Store Dot وEnergyX.
