في هذا المقال
طور باحثون في جامعة فليندرز الأسترالية نوعًا جديدًا من البطاريات يمكنه تحمل ما يصل إلى 60 ألف دورة شحن، مع إمكانية شحنه بالكامل خلال 3 دقائق فقط.
وتعتمد البطارية الجديدة على تقنية مختلفة جذريًا عن بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية، إذ تستخدم كيمياء الزنك-اليود القائمة على الماء، ما يجعلها أكثر أمانًا ويقلل خطر اشتعالها بسبب ما يعرف بـ “الهروب الحراري”.
لكن هل يمكن أن تمهد هذه التقنية الطريق لبطارية تشغل هواتف آيفون أو Galaxy المستقبلية؟
النشا هو العنصر المفاجئ
تمثل البطاريات أحد أكبر الاختناقات أمام تطور التكنولوجيا الحديثة، خصوصًا أن تقنية الليثيوم-أيون المستخدمة على نطاق واسع اليوم تعود جذورها إلى ستينيات القرن الماضي، بحسب تقرير نشره موقع “phonearena” .
ومع الانتشار المتزايد للسيارات الكهربائية، تتجه شركات ومؤسسات بحثية إلى ضخ استثمارات أكبر في تطوير تقنيات بطاريات جديدة.
وفي هذا السياق، توصل فريق من جامعة فليندرز إلى نهج جديد يعتمد بشكل أساسي على النشا.
وتستخدم التقنية بوليمرات مشتقة من سكريات قليلة رخيصة وقابلة للتحلل الحيوي، بهدف الحد من مشكلة انتقال متعدد اليوديد داخل البطارية، بما يسمح بتطوير بطاريات زنك-يود مائية أكثر استدامة وطولًا في العمر.
وتقنية بطاريات الزنك-اليود ليست جديدة، إذ تجري دراسة هذا النوع من البطاريات منذ أكثر من 20 عامًا، بينما يعود أول توثيق لبطارية من هذا النوع إلى عام 1984.
لكن فريق فليندرز طور طريقة لاستخدام بوليمر عضوي منخفض التكلفة قائم على السيكلودكسترين (Cyclodextrin) كمادة حاضنة داخل البطارية.
والسيكلودكسترين عبارة عن جزيء سكري مشتق من النشا، ويُستخدم على نطاق واسع في الصناعات الغذائية ومستحضرات التجميل والأدوية وغيرها.
وتتميز هذه المادة بقدرتها على احتجاز وإطلاق مركبات متعددة اليود، وهي ذرات تحمل شحنة كهربائية، ما يجعلها مناسبة لهذه الكيمياء الجديدة للبطاريات.
بطارية آمنة وتتحمل عشرات الآلاف من دورات الشحن
تتمتع البطارية الجديدة بعدة مزايا لافتة، أبرزها أنها مائية، ما يجعلها أكثر أمانًا من بطاريات الليثيوم-أيون في بعض السيناريوهات.
وبما أن النظام يعتمد على الماء، فإنه لا يشتعل تلقائيًا بالطريقة المرتبطة بمشكلة الهروب الحراري في بعض البطاريات التقليدية.
وأظهرت الاختبارات أن البطارية تمكنت من العمل لنحو 8 آلاف دورة شحن عند سعة 205 مللي أمبير/غرام، مع إمكانية الشحن الكامل خلال نحو 7 دقائق.
لكن عند العمل بسعة 150 مللي أمبير/غرام، تمكنت البطارية من الوصول إلى 60 ألف دورة شحن، مع زمن شحن كامل يبلغ نحو 3 دقائق فقط.
وتشير نتائج البحث إلى أن البطارية يمكنها تحقيق تخزين بقدرة إلكترونية تبلغ اثنين عند 205 مللي أمبير/غرام، أو أربعة عند 365 مللي أمبير/غرام، بينما تساعد الكيمياء الخاصة بين أيونات متعدد الهاليد والبوليمر على إطالة عمر البطارية إلى أكثر من 60 ألف دورة.
ماذا تعني 60 ألف دورة؟
للمقارنة، تأتي بطارية هاتف Galaxy Z Fold 8 بتصنيف يبلغ نحو 1,200 دورة شحن.
وبافتراض دورة شحن واحدة يوميًا، تعادل 1,200 دورة أكثر قليلًا من 3 سنوات.
أما 60 ألف دورة، فتعادل نظريًا نحو 164 عامًا من الشحن اليومي.
حتى السيناريو الأقل، أي 8 آلاف دورة، يعادل أكثر من 21 عامًا من الشحن اليومي.
أما سرعة الشحن، فتبدو أكثر إثارة للإعجاب؛ إذ يستغرق شحن Galaxy Z Fold 8 نحو ساعة تقريبًا، بينما يمكن للبطاريات الجديدة شحنها بسرعة تتراوح بين 10 و20 ضعفًا مقارنة بذلك.
لكن هذه الأرقام لا تعني أن هاتفك القادم سيحصل على هذه البطارية.
هل ستكون هذه بطارية آيفون المقبلة؟
للأسف، ليس في الوقت الحالي.
ويرى البروفيسور تشونغفان جيا من جامعة فليندرز أن النظام الجديد يمكن أن يمهد الطريق أمام كيمياء بطاريات جديدة مخصصة لتخزين الطاقة على نطاق واسع، لتحل محل بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية في بعض التطبيقات.
ويعمل الفريق حاليًا مع القطاع الصناعي لإنشاء منصة أولية لتطوير هذا النوع من البطاريات.
لكن هناك مشكلة أساسية تحول دون استخدامها في الهواتف الذكية حاليًا، وهي أن بطاريات الزنك-اليود تتمتع بكثافة طاقة حجمية أقل بكثير من بطاريات الليثيوم-أيون.
وهذا يعني أن البطارية ستكون بحاجة إلى حجم أكبر بكثير لتوفير السعة نفسها التي توفرها خلية ليثيوم-أيون أصغر.
ولهذا السبب، تركز التطبيقات الأولى لهذه التقنية على منشآت تخزين الطاقة الكبيرة وأنظمة تخزين الطاقة الشمسية المنزلية، بدلًا من الهواتف الذكية.
هل يمكن أن تحل محل بطاريات السيليكون-كربون؟
من غير المرجح أن تحل بطاريات الزنك-اليود المائية محل تقنية السيليكون-كربون المستخدمة في بعض الهواتف الحديثة في المستقبل القريب.
بطاريات السيليكون-كربون تعتمد في الأساس على كيمياء الليثيوم-أيون نفسها، لكنها تضيف السيليكون إلى الأقطاب لتمكينها من استيعاب عدد أكبر من الأيونات، وبالتالي زيادة كثافة الطاقة.
أما بطاريات الزنك-اليود المائية، فتعتمد على كيمياء مختلفة تمامًا، وتعمل بجهد يتراوح بين 1.3 و1.4 فولت، في حين تعمل بطاريات الليثيوم-أيون والسيليكون-كربون عادةً عند نحو 3.7 فولت.
ومع ذلك، فإن نجاح هذه التقنية في الاختبارات يمثل خطوة مهمة في البحث عن بدائل أكثر أمانًا واستدامة لبطاريات الليثيوم-أيون.
وإذا أثبتت التكنولوجيا قدرتها على العمل بكفاءة على نطاق تجاري، فقد يصبح تطويرها وتصغير حجمها مسألة هندسية بمرور الوقت، وهو ما قد يجعل فكرة هاتف يشحن بالكامل خلال 3 دقائق ويحتفظ ببطاريته لسنوات طويلة أقرب إلى الواقع، وإن كانت لا تزال بعيدة عن الهواتف التجارية في الوقت الحالي.
طور باحثون في جامعة فليندرز الأسترالية نوعًا جديدًا من البطاريات يمكنه تحمل ما يصل إلى 60 ألف دورة شحن، مع إمكانية شحنه بالكامل خلال 3 دقائق فقط.
وتعتمد البطارية الجديدة على تقنية مختلفة جذريًا عن بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية، إذ تستخدم كيمياء الزنك-اليود القائمة على الماء، ما يجعلها أكثر أمانًا ويقلل خطر اشتعالها بسبب ما يعرف بـ “الهروب الحراري”.
لكن هل يمكن أن تمهد هذه التقنية الطريق لبطارية تشغل هواتف آيفون أو Galaxy المستقبلية؟
النشا هو العنصر المفاجئ
تمثل البطاريات أحد أكبر الاختناقات أمام تطور التكنولوجيا الحديثة، خصوصًا أن تقنية الليثيوم-أيون المستخدمة على نطاق واسع اليوم تعود جذورها إلى ستينيات القرن الماضي، بحسب تقرير نشره موقع “phonearena” .
ومع الانتشار المتزايد للسيارات الكهربائية، تتجه شركات ومؤسسات بحثية إلى ضخ استثمارات أكبر في تطوير تقنيات بطاريات جديدة.
وفي هذا السياق، توصل فريق من جامعة فليندرز إلى نهج جديد يعتمد بشكل أساسي على النشا.
وتستخدم التقنية بوليمرات مشتقة من سكريات قليلة رخيصة وقابلة للتحلل الحيوي، بهدف الحد من مشكلة انتقال متعدد اليوديد داخل البطارية، بما يسمح بتطوير بطاريات زنك-يود مائية أكثر استدامة وطولًا في العمر.
وتقنية بطاريات الزنك-اليود ليست جديدة، إذ تجري دراسة هذا النوع من البطاريات منذ أكثر من 20 عامًا، بينما يعود أول توثيق لبطارية من هذا النوع إلى عام 1984.
لكن فريق فليندرز طور طريقة لاستخدام بوليمر عضوي منخفض التكلفة قائم على السيكلودكسترين (Cyclodextrin) كمادة حاضنة داخل البطارية.
والسيكلودكسترين عبارة عن جزيء سكري مشتق من النشا، ويُستخدم على نطاق واسع في الصناعات الغذائية ومستحضرات التجميل والأدوية وغيرها.
وتتميز هذه المادة بقدرتها على احتجاز وإطلاق مركبات متعددة اليود، وهي ذرات تحمل شحنة كهربائية، ما يجعلها مناسبة لهذه الكيمياء الجديدة للبطاريات.
بطارية آمنة وتتحمل عشرات الآلاف من دورات الشحن
تتمتع البطارية الجديدة بعدة مزايا لافتة، أبرزها أنها مائية، ما يجعلها أكثر أمانًا من بطاريات الليثيوم-أيون في بعض السيناريوهات.
وبما أن النظام يعتمد على الماء، فإنه لا يشتعل تلقائيًا بالطريقة المرتبطة بمشكلة الهروب الحراري في بعض البطاريات التقليدية.
وأظهرت الاختبارات أن البطارية تمكنت من العمل لنحو 8 آلاف دورة شحن عند سعة 205 مللي أمبير/غرام، مع إمكانية الشحن الكامل خلال نحو 7 دقائق.
لكن عند العمل بسعة 150 مللي أمبير/غرام، تمكنت البطارية من الوصول إلى 60 ألف دورة شحن، مع زمن شحن كامل يبلغ نحو 3 دقائق فقط.
وتشير نتائج البحث إلى أن البطارية يمكنها تحقيق تخزين بقدرة إلكترونية تبلغ اثنين عند 205 مللي أمبير/غرام، أو أربعة عند 365 مللي أمبير/غرام، بينما تساعد الكيمياء الخاصة بين أيونات متعدد الهاليد والبوليمر على إطالة عمر البطارية إلى أكثر من 60 ألف دورة.
ماذا تعني 60 ألف دورة؟
للمقارنة، تأتي بطارية هاتف Galaxy Z Fold 8 بتصنيف يبلغ نحو 1,200 دورة شحن.
وبافتراض دورة شحن واحدة يوميًا، تعادل 1,200 دورة أكثر قليلًا من 3 سنوات.
أما 60 ألف دورة، فتعادل نظريًا نحو 164 عامًا من الشحن اليومي.
حتى السيناريو الأقل، أي 8 آلاف دورة، يعادل أكثر من 21 عامًا من الشحن اليومي.
أما سرعة الشحن، فتبدو أكثر إثارة للإعجاب؛ إذ يستغرق شحن Galaxy Z Fold 8 نحو ساعة تقريبًا، بينما يمكن للبطاريات الجديدة شحنها بسرعة تتراوح بين 10 و20 ضعفًا مقارنة بذلك.
لكن هذه الأرقام لا تعني أن هاتفك القادم سيحصل على هذه البطارية.
هل ستكون هذه بطارية آيفون المقبلة؟
للأسف، ليس في الوقت الحالي.
ويرى البروفيسور تشونغفان جيا من جامعة فليندرز أن النظام الجديد يمكن أن يمهد الطريق أمام كيمياء بطاريات جديدة مخصصة لتخزين الطاقة على نطاق واسع، لتحل محل بطاريات الليثيوم-أيون التقليدية في بعض التطبيقات.
ويعمل الفريق حاليًا مع القطاع الصناعي لإنشاء منصة أولية لتطوير هذا النوع من البطاريات.
لكن هناك مشكلة أساسية تحول دون استخدامها في الهواتف الذكية حاليًا، وهي أن بطاريات الزنك-اليود تتمتع بكثافة طاقة حجمية أقل بكثير من بطاريات الليثيوم-أيون.
وهذا يعني أن البطارية ستكون بحاجة إلى حجم أكبر بكثير لتوفير السعة نفسها التي توفرها خلية ليثيوم-أيون أصغر.
ولهذا السبب، تركز التطبيقات الأولى لهذه التقنية على منشآت تخزين الطاقة الكبيرة وأنظمة تخزين الطاقة الشمسية المنزلية، بدلًا من الهواتف الذكية.
هل يمكن أن تحل محل بطاريات السيليكون-كربون؟
من غير المرجح أن تحل بطاريات الزنك-اليود المائية محل تقنية السيليكون-كربون المستخدمة في بعض الهواتف الحديثة في المستقبل القريب.
بطاريات السيليكون-كربون تعتمد في الأساس على كيمياء الليثيوم-أيون نفسها، لكنها تضيف السيليكون إلى الأقطاب لتمكينها من استيعاب عدد أكبر من الأيونات، وبالتالي زيادة كثافة الطاقة.
أما بطاريات الزنك-اليود المائية، فتعتمد على كيمياء مختلفة تمامًا، وتعمل بجهد يتراوح بين 1.3 و1.4 فولت، في حين تعمل بطاريات الليثيوم-أيون والسيليكون-كربون عادةً عند نحو 3.7 فولت.
ومع ذلك، فإن نجاح هذه التقنية في الاختبارات يمثل خطوة مهمة في البحث عن بدائل أكثر أمانًا واستدامة لبطاريات الليثيوم-أيون.
وإذا أثبتت التكنولوجيا قدرتها على العمل بكفاءة على نطاق تجاري، فقد يصبح تطويرها وتصغير حجمها مسألة هندسية بمرور الوقت، وهو ما قد يجعل فكرة هاتف يشحن بالكامل خلال 3 دقائق ويحتفظ ببطاريته لسنوات طويلة أقرب إلى الواقع، وإن كانت لا تزال بعيدة عن الهواتف التجارية في الوقت الحالي.
