تكنولوجيا جديدة قد تقلل من أزمنة شحن السيارات الكهربائية وتزيد مداها
بقلم: فيكتوريا أتكينسون
قد تتوفر قريباً في العديد من السيارات تكنولوجيا يمكنها أن تزيد مدى وتقلل زمن شحن بطاريات السيارات الكهربائية Electric Vehicle (اختصاراً: السيارات Ev)، بشكل كبير. تستبدل هذه التقنية الغرافيت Graphite المستخدم عادة في الأنودات Anodes السالبة الشحنة لبطاريات أيونات الليثيوم في السيارات الكهربائية بالسيليكون. أعلنت شركة باناسونيك Panasonic مؤخراً عن عقد شراكة مع شركة سيلا نانوتكنولوجيز Sila Nanotechnologies، التي تصنع أنودات السيليكون، لدمج هذه التكنولوجيا في خط إنتاج البطاريات الحالي للشركة في عام .2024
بيع أكثر من 14 مليون سيارة كهربائية في عام 2023، ويتوقع أن تزداد شعبيتها في السنوات المقبلة. في الوقت الحالي، تستخدم هذه المركبات بطاريات أيونات الليثيوم عالية الأداء. على الرغم من أن هذه البطاريات تتحسن يوماً بعد يوم، إلا أن بعض العوائق لا تزال تحد من سهولة استخدامها وملاءمتها. قالت أزين فهيمي Azin Fahimi، كبيرة العلماء في شركة سينزا للطاقة Sienza Energy، والتي تقود فريقاً يعمل على تطبيق أنود سيليكوني مختلف عما تنتجه شركة سيلا: ”إن قدرة البطارية على تخزين الطاقة فيما يتعلق بحجمها ووزنها، والمعروفة بكثافة الطاقة Energy Density، هي عامل رئيسي للسيارات الكهربائية، لأنها تؤثر في المسافة التي يمكن أن تقطعها بعملية شحن واحدة. فهناك جانب آخر مهم وهو كثافة الطاقة، والتي تشير إلى مدى سرعة البطارية في توفير الطاقة“. وبعبارة أخرى، إذا لم تتمكن السيارة من قطع مسافة طويلة بين الشحنات، فلن مقبولة بالنسبة إلى كثير من المستهلكين. فلماذا يكون لأنود السيليكون الجديد مثل هذا التأثير الكبير في مدى السيارة وزمن شحنها؟
تعتمد البطاريات على حركة الجزيئات المشحونة، المعروفة بالأيونات، بين قطبين كهربائيين، أو موصلين كهربيين. أثناء الشحن، تنتقل أيونات الليثيوم من القطب الموجب، المسمى الكاثود Cathode، من خلال محلول موصل يسمى الإلكتروليت Electrolyte إلى القطب السالب – الأنود Anode – حيث تخزّن حتى تدعو الحاجة إلى الطاقة. قالت فهيمي: ”عندما تزود البطارية الجهاز بالطاقة، فإن أيونات الليثيوم تعود من الأنود إلى الكاثود. تسمح حركة الأيونات هذه للإلكترونات بالتدفق عبر الدائرة الخارجية، مما يولد تياراً كهربائياً يزود الجهاز بالطاقة“.
نظراً لأن الأيونات تخزّن على الأنود لحين الحاجة إليها لتشغيل السيارة، تؤدي مادة الأنود دوراً حاسماً في أداء البطارية. قالت فهيمي: ”يجب أن يمتلك الأنود الجيد قدرة تخزين عالية من الليثيوم لضمان كثافة طاقة عالية، وموصلية كهربائية Electrical Conductivity جيدة لتسهيل التدفق الفعال للإلكترونات والنقل السريع للأيونات من أجل إمكانية الشحن السريع“. يحتاج الأنود أيضاً إلى بنية مستقرة لا يتغير حجمها عندما تتدفق الأيونات داخله وخارجه، لأن ذلك قد يسبب تلف السطح.
تقليدياً، تستخدم بطاريات أيونات الليثيوم أنودات من الغرافيت. تعني البنية الطبقية لهذه المادة الموصلة أن الأيونات تستطيع أن تتحرك داخل وخارج الأنود دون أن يتغير حجمها كثيراً. ولكن وبسبب خصائصه الكيميائية، يمكن للسيليكون أن يحمل طاقة أكثر بعشرة أضعاف لكل غرام. قالت فهيمي: ”تعني هذه السعة الأعلى أن السيليكون يمكنه تخزين المزيد من أيونات الليثيوم، مما يحقق كثافة طاقة أعلى. تترجم كثافة الطاقة الأعلى إلى مدى أطول للسيارات الكهربائية بعملية شحن واحدة“. مع الأسف، يتضخم السيليكون إلى 3 أو 4 أضعاف حجمه الأصلي عند ملئه بأيونات الليثيوم، مما يؤدي إلى ”ضغط ميكانيكي وتدهور مادة الأنود في نهاية المطاف“. يُعد التصميم الدقيق على المستوى النانوي لأنودات السيليكون أمراً بالغ الأهمية للتغلب على هذا التحدي.
