بناء بطاريات أفضل

والحقيقة هي أن المتحمسين العاديين للأجهزة لا يدركون ثلاث نقاط مهمة تتعلق بالبطاريات. (في فبراير 2017، بثت قناة PBS حلقة خاصة من برنامج NOVA بعنوان "البحث عن البطارية الفائقة"، استضافتها أنا. وبعد عام من زيارة المختبرات وإجراء مقابلات مع العلماء، أعترف أن البطاريات تشغلني هذه الأيام).

النقطة الأولى: البطاريات التي ربما تتعامل معها غالبًا هي تلك الموجودة في هاتفك الخلوي أو الكمبيوتر المحمول. ولكن يمكن القول، وكثير من العلماء يقولون ذلك، إن البطاريات هي سر التعامل مع مشاكل أكبر بلا حدود، مثل الطاقة والنقل وتغير المناخ.

على سبيل المثال، اليوم حوالي واحد بالمائة فقط من السيارات الجديدة المباعة في الولايات المتحدة هي سيارات كهربائية. أحد أسباب ذلك هو أنها أغلى من السيارات التي تعمل بالبنزين. سبب آخر هو القلق بشأن نطاق القيادة: يخشى المستهلكون من أن يكونوا عالقين ببطاريات فارغة في مكان بعيد عن منازلهم. تم تصميم البطاريات الأرخص والأعلى سعة التي يتم تطويرها اليوم لمعالجة هاتين المشكلتين.

وبالإضافة إلى ذلك هناك أيضًا مسألة شبكة الكهرباء. الكهرباء ليست مثل الماء الذي يقف وينتظر في الأنبوب حتى تفتح الصنبور. عندما تشعل مصباحًا، يجب أن يتم إنتاج الطاقة التي يحتاجها في تلك اللحظة، في الوقت الفعلي. ولذلك خصصت شركات الكهرباء الكثير من الوقت للتعامل مع التقلبات الحادة جداً في الطلب على الكهرباء. في الليل، عندما يكون الجميع نائمين، لا يوجد طلب تقريبًا، ثم في الساعة الخامسة بعد الظهر، عندما يعود الناس إلى المنزل من العمل، يكون هناك ذروة كبيرة في الطلب. في الواقع، تحتفظ شركات الطاقة بمحطات احتياطية باهظة الثمن وغير فعالة، ولا يتم تفعيلها إلا من حين لآخر للتعامل مع ذروة الطلب، مثل تلك التي تسببها موجات الحر.

وستكون البطاريات المتصلة بالشبكة قادرة على تخفيف هذه التقلبات المستحيلة. وربما الأهم من ذلك، أن بطاريات الشبكة ستكون قادرة على تخزين الطاقة الشمسية عندما تكون الشمس مشرقة، وطاقة الرياح عندما تهب الرياح، لاستخدامها عند الحاجة إليها حقًا. ولم نتمكن حتى الآن من إخضاع الشمس والرياح لجداول حياتنا اليومية.

النقطة الثانية التي لا يعرفها الناس: شكاوانا تتعلق عادةً بسعة البطارية: المدة التي يمكن أن تعمل فيها الأجهزة بين عمليات الشحن. ولكن الحقيقة هي أن السعة العالية (أو كثافة الطاقة) ليست سوى عنصر واحد في قائمة أمنيات الصناعة. نريد أيضًا أن تكون البطاريات رخيصة الثمن، وغير ضارة بالبيئة عند عدم استخدامها، وطويلة الأمد (أي يمكن شحنها آلاف المرات)، وصغيرة الحجم، وخفيفة الوزن (خاصة للسيارات الكهربائية) وآمنة للاستخدام. إنه أمر مزعج حقًا عندما ينفجر الهاتف، وسيشهد موظفو سامسونج.

بشكل عام، لا يمكنك الحصول على كل شيء في بطارية واحدة. لكن من ناحية أخرى، لا تحتاج دائمًا إلى كل شيء. على سبيل المثال، لا ينبغي أن تكون البطاريات الرئيسية محمولة أو مدمجة. وبالتالي إمكانية الاستخدامبطاريات التدفقعلى سبيل المثال، على أساس المواد الكيميائية المخزنة في خزانات ضخمة وتتدفق فيما بينها في خلايا التفاعل، أو فيبطاريات دولاب الموازنة، يعتمد على قرص معدني، كالفولاذ مثلاً، يزن عشرات الكيلوغرامات، ويدور بسرعة آلاف الدورات في الدقيقة في حجرة عديمة الاحتكاك (تطفو في الفراغ بفعل قوة المغناطيس). ويتم دورانه ليلاً، وبالتالي فإن الطاقة اللازمة لذلك تكون أرخص، وتستخدم الطاقة الحركية للدوران نهاراً لتوليد الكهرباء.

النقطة الثالثة المهمة: لقد تحسنت البطاريات على مر السنين. نحن لا نشعر بذلك لأنه في الوقت نفسه أصبحت أجهزتنا أسرع وأقوى وأكثر استهلاكًا للطاقة. في الواقع، إذا قمت بتوصيل هاتف محمول من عام 1995 ببطارية iPhone الحالية، فمن المحتمل أن يستمر لمدة عام كامل بشحنة واحدة.

ومن المتوقع المزيد من الابتكارات العظيمة. على سبيل المثال، عالم المواد مايك زيمرمان وتمكنت من استبدال السائل شديد الاشتعال، والذي تتحرك فيه الأيونات عند شحن أو تفريغ البطارية (المنحل بالكهرباء)، بقطعة واحدة من لوح بلاستيكي خاص. وها هي: بطارية لا يمكن أن تشتعل ولا تنفجر. ولأنه لا ينفجر، يستطيع زيمرمان الاستفادة من كيمياء معدن الليثيوم نفسه بدلاً من كيمياء أيونات الليثيوم. يتمتع المعدن بكثافة طاقة أعلى بكثير، لكنه يعتبر خطيرًا جدًا لاستخدامه في البطاريات الحالية، والتي تعتمد على المنحل بالكهرباء السائل. بهذه الطريقة يمكنك تمديد مدة الإجراء.

لذلك من يريد أن يشتكي من البطاريات فليفعل ذلك الآن. قريبا سوف تزيد سمعتهم بشكل كبير.