طور باحثون من جامعة تشالمرز للتكنولوجيا في السويد بطارية كهربائية هيكلية تؤدي أداء أفضل بعشر مرات من الإصدارات السابقة من التكنولوجيا. تحتوي البطارية المبتكرة على ألياف الكربون التي تعمل كقطب كهربائي وموصل وكمواد حاملة ، والتي يمكن أن تمكن بشكل أساسي من تخزين الطاقة “عديم الكتلة” في المركبات.
ببساطة ، تعمل البطارية الهيكلية كمصدر للطاقة وكجزء محمل من الهيكل ، مثل جسم السيارة. يشير فريق تشالمرز إلى هذا التصميم على أنه تخزين للطاقة عديم الكتلة ، لأن كتلة البطارية “تختفي” في جوهرها عندما تصبح جزءًا من الهيكل الحامل. تظهر حسابات الباحثين أن هذا النوع من البطاريات متعددة الوظائف يمكن أن يقلل بشكل كبير من وزن السيارة الكهربائية ، مما قد يؤدي أيضًا إلى فوائد محتملة من حيث ديناميكيات السيارة.
البطاريه الهيكليه الجديده تقلل وزن السياره ووسائل نقل اخرى
يقوم العلماء في جامعة تشالمرز للتكنولوجيا بالبحث عن البطاريات الهيكلية وتطويرها منذ عام 2007 ، حيث تم اكتشاف العديد من الاكتشافات السابق المتعلقة بأنواع معينة من ألياف الكربون. بالإضافة إلى كونها صلبة وقوية ، فإن البطاريات فعالة أيضًا في تخزين الطاقة الكهربائية كيميائيًا. في الواقع ، تم تسمية هذا العمل في عام 2018 كواحد من أكبر 10 اكتشافات علمية لهذا العام من قبل Physics World .
اختار الباحثون المواد بهدف التحقيق وفهم تأثيرات هندسة المواد وسمك الفاصل على بطارية هيكلية. تستخدم البطارية ألياف الكربون كقطب سالب ، ورقائق الألمنيوم المطلية بفوسفات الليثيوم كقطب موجب. تعمل ألياف الكربون كمضيف للليثيوم وبالتالي تخزن الطاقة. نظرًا لأن ألياف الكربون تقوم أيضًا بتوصيل الإلكترونات ، فإن الموصلات النحاسية والفضية غير مطلوبة ، مما يقلل الوزن بشكل أكبر.
يساهم كل من ألياف الكربون ورقائق الألومنيوم في الخصائص الميكانيكية للبطارية الهيكلية ، حيث يتم فصل مادتي القطب بواسطة نسيج من الألياف الزجاجية في مصفوفة إلكتروليت هيكلية.
حتى الآن ، كافح الفريق لتصنيع بطاريات تتمتع بخصائص كهربائية وميكانيكية جيدة. ومع ذلك ، يقولون إن برنامج التطوير قد اتخذ خطوة كبيرة إلى الأمام ، مع بعض المساعدة من التعاون مع KTH Royal Institute of Technology في ستوكهولم (الذي طور المنحل بالكهرباء) ، مع أحدث إصدار من البطارية الهيكلية التي لها خصائص تتجاوز أي شيء حتى الآن. ينظر إليها من حيث تخزين الطاقة الكهربائية والصلابة والقوة. في الواقع ، يقول الباحثون إن الأداء متعدد الوظائف أعلى بنحو 10 مرات من النماذج الأولية للبطاريات الهيكلية السابقة.
تبلغ كثافة الطاقة للبطارية 24 واط / كجم ، أي حوالي 20٪ من سعة بطاريات الليثيوم أيون المماثلة. ومع ذلك ، نظرًا لأنه يمكن تقليل وزن السيارة الكهربائية المزودة بهذه البطاريات بشكل كبير ، فستكون هناك حاجة إلى طاقة أقل لقيادة السيارة ، كما تؤدي كثافة الطاقة المنخفضة أيضًا إلى زيادة السلامة. مع صلابة تبلغ 25 جيجا باسكال ، يقول فريق تشالمرز إن بطاريتهم الهيكلية يمكن أن تنافس بالفعل العديد من مواد البناء الأخرى الشائعة الاستخدام.
البطارية الهيكلية ذات سعة تخزين تنافسية
أسفرت المحاولات السابقة لصنع بطاريات هيكلية عن خلايا ذات خصائص ميكانيكية جيدة أو خواص كهربائية جيدة. ولكن هنا ، باستخدام ألياف الكربون ، نجحنا في تصميم بطارية هيكلية ذات سعة تخزين طاقة تنافسية وصلابة “، أوضح ليف أسب ، الأستاذ في تشالمرز وقائد المشروع.
التطبيقات تشمل الدراجات الكهربائية والسيارات والطائرات والإلكترونيات الاستهلاكية
يجري حاليًا تنفيذ مشروع جديد ، بتمويل من وكالة الفضاء الوطنية السويدية ، والذي يمكن أن يشهد زيادة في أداء البطارية الهيكلية بشكل أكبر. سيتم استبدال رقائق الألومنيوم بألياف الكربون كمواد حاملة في القطب الموجب ، مما يزيد من الصلابة وكثافة الطاقة. سيتم استبدال فاصل الألياف الزجاجية بمتغير رفيع للغاية ، والذي سيعطي تأثيرًا أكبر بكثير – بالإضافة إلى دورات شحن أسرع. من المتوقع أن يتم الانتهاء من المشروع في غضون عامين.يقدر Leif Asp ، الذي يقود هذا المشروع أيضًا ، أن مثل هذه البطارية يمكن أن تصل إلى كثافة طاقة تبلغ 75 واط / كجم وصلابة تبلغ 75 جيجا باسكال. هذا من شأنه أن يمنح البطارية قوة مماثلة للألمنيوم ، ولكن بوزن أقل نسبيًا.
تتمتع بطارية الجيل القادم الهيكلية بإمكانيات رائعة. إذا نظرت إلى تكنولوجيا المستهلك ، فقد يكون من الممكن تمامًا في غضون بضع سنوات تصنيع الهواتف الذكية أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو الدراجات الكهربائية التي تزن نصف ما هي عليه اليوم وتكون أكثر إحكاما “، وأضاف آسب.وعلى المدى الطويل ، يمكن تصميم السيارات الكهربائية والطائرات الكهربائية والأقمار الصناعية ببطاريات هيكلية وتشغيلها.
يتم تشغيل مشروع البطارية الهيكلية بالتعاون بين جامعة تشالمرز للتكنولوجيا والمعهد الملكي للتكنولوجيا KTH ، أكبر جامعتين تقنيتين في السويد ، مع تطوير إلكتروليت البطارية في KTH. يضم المشروع باحثين من خمسة تخصصات مختلفة: ميكانيكا المواد ، وهندسة المواد ، والهياكل خفيفة الوزن ، والكيمياء الكهربائية التطبيقية ، وتكنولوجيا الألياف والبوليمر. جاء التمويل من برنامج الأبحاث Clean Sky II التابع للمفوضية الأوروبية ، وكذلك من سلاح الجو الأمريكي.