يمكن للبطارية الوسيطة السطحية أن تجعل وقت شحن السيارة الكهربائية بضع دقائق فقط

ଲେଖକ: ଆଇଫ୍ଲୋପାୱାର - Portable Power Station supplementum

قم بمقارنة المكثفات الفائقة والبطاريات، كما هو موضح في البطارية الوسيطة السطحية التي تحتوي على ثلاثة سماكات مختلفة للأقطاب الكهربائية، وكلاهما يتمتع بكثافة عالية للطاقة، وكثافة عالية للطاقة. المصدر: أين جمعية الكيمياء الأمريكية، فهو بمثابة طفرة في تكنولوجيا البطاريات، ولكنها ليست بطارية. شركة نانوتيكينسترومنتس

والشركات التابعة لها، Angstronmaterials, Inc. قام أوتون بتطوير مواصفات جديدة تستخدم في تصميم معدات تخزين الطاقة، تعتمد على النقل السريع لعدد كبير من أيونات الليثيوم في القطب، وهذا القطب لديه سطح الجرافين كبير. يمكن أن يكون جهاز تخزين الطاقة هذا مفيدًا جدًا للسيارات الكهربائية، حيث يمكنه تقليل وقت الشحن، من أقل من دقيقة إلى ساعات.

وقد تشمل التطبيقات الأخرى تخزين الطاقة المتجددة (على سبيل المثال، تخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح) والشبكات الذكية. وقال الباحثون إن هذا الجهاز الجديد عبارة عن بطارية تبادل أيونات الليثيوم لوظيفة سطح الجرافين، أو ببساطة، بطارية بوساطة السطح (SMCS: Surface-Mediatedcells). على الرغم من أن المعدات الحالية تستخدم مواد وهياكل غير مفتوحة، إلا أنها يمكن أن تتفوق بالفعل على بطاريات الليثيوم أيون والمكثفات الفائقة.

يمكن لهذا الجهاز الجديد توفير 100 كيلوواط لكل كيلوواط من البطارية، أي ما يعادل 100 مرة أعلى من بطاريات الليثيوم أيون التجارية، و10 مرات أعلى من المكثف الفائق. كلما زادت كثافة الطاقة، زادت سرعة نقل الطاقة (يمكن أن يؤدي ذلك إلى سرعة شحن أسرع). وبالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه البطارية الجديدة تخزين كثافة طاقة تبلغ 160 واط لكل كيلوغرام من البطارية، وهو ما يضاهي بطارية الليثيوم أيون التجارية، وأعلى بنحو 30 مرة من المكثف الفائق التقليدي.

كلما زادت كثافة الطاقة، زادت الطاقة التي يمكن تخزينها، وزادت الطاقة المخزنة (مع زيادة مسافة قيادة المركبات الكهربائية). إذا كان وزن المعدات هو نفسه، فيمكن استخدام البطارية الوسيطة السطحية الحالية وبطاريات الليثيوم أيون في المركبات الكهربائية، ويقال مؤسس شركة Nano Instrument ومؤسس شركة Angerstron Materials Company المشترك Jiang Bauz (Borz.jang) أن بطاريتنا الوسيطة السطحية تشبه بطارية الليثيوم أيون الحالية، ويمكنها زيادة كثافة الطاقة بشكل أكبر، وبالتالي يمكنها أيضًا تحسين خط سير الرحلة.

ومع ذلك، من حيث المبدأ، يمكن شحن البطاريات الوسيطة السطحية في بضع دقائق (قد لا تقل عن دقيقة واحدة)، بدلاً من ساعات، تمامًا مثل بطارية الليثيوم أيون المستخدمة في المركبات الكهربائية. جيانج باولدز وشريكه في شركة أجهزة النانو التكنولوجية المحدودة.

ونشرت شركة Angersmia Material هذه الدراسة، وهي دراسة حول معدات تخزين الطاقة من الجيل التالي، في أحدث إصدار من مجلة "Nano Express" (Nanoletters). تتخصص الشركتان في تسويق المواد النانوية، حيث تعد شركة Angerstrong أكبر شركة في العالم لتصنيع الجرانيت النانوي (NGPS: Nanographeneplatelets). وكما يوضح الباحثون في أبحاثهم، فإن هناك نقاط قوة ونقاط ضعف خاصة بهم في تخزين الطاقة والبطاريات والمكثفات الفائقة.

على الرغم من أن كثافة الطاقة لبطاريات أيون الليثيوم (120-150 واط / كجم) أعلى بكثير من المكثف الفائق (5 واط / كجم)، إلا أن هذه البطارية لها كثافة طاقة منخفضة (بطارية 1 كيلو واط / كجم)، مقارنة ببطارية 10 كيلو واط / كجم). لقد بذلت العديد من فرق البحث جهودًا لإضافة كثافة الطاقة لبطارية الليثيوم أيون، وتحسين كثافة الطاقة للمكثف الفائق، لكن هذين المجالين لا يزالان يواجهان تحديات كبيرة. وبما أن الإطار الجديد متوفر، فيمكن استخدامه في أجهزة تخزين الطاقة، وبالتالي فإن هذه البطارية الوسيطة على السطح تسمح للباحثين بتجاوز هذه التحديات.

وقال جيانج باوز إن تطوير جهاز تخزين الطاقة الجديد هذا يضيق الفجوة بين أداء بطارية أيون الليثيوم والمكثف الفائق. والأمر الأكثر أهمية هو أن هذا الإطار الجديد كلياً لتصنيع أجهزة تخزين الطاقة، يمكّن الباحثين من تحقيق كثافة عالية للطاقة، ولكن أيضاً كثافة عالية للطاقة، دون التضحية بأحدهما من أجل الآخر. يحتوي قطب البطارية الوسيط السطحي على مساحة سطح كبيرة، بحيث تنتقل كمية كبيرة من الأيونات بسرعة، مما يوفر وقت شحن سريع.

المصدر: إن مفتاح أداء البطارية الوسيطة على السطح في الكيمياء الأمريكية هو أن الكاثود والأنود يحتويان على سطح جرافين كبير جدًا. عند تصنيع البطاريات، يضع الباحثون معدن الليثيوم (على شكل جزيئات أو رقائق معدنية) في القطب الموجب. في دورة التفريغ الأولى، يتم تأين الليثيوم، ويكون عدد أيونات الليثيوم التي يتم إحضارها أكبر من تلك الموجودة في بطارية أيونات الليثيوم.

عند استخدام البطارية، تنتقل هذه الأيونات إلى الكاثود من خلال الإلكتروليت السائل، إلى مسام الكاثود لتصل إلى سطح الجرافين الكبير في الكاثود. أثناء عملية الشحن، تنتقل كمية كبيرة من تدفق أيونات الليثيوم بسرعة من الكاثود إلى الأنود. مساحة سطح القطب كبيرة جدًا، بحيث تنتقل كمية كبيرة من الأيونات بسرعة، وتتميز بقوة وكثافة طاقة عالية.

وأوضح الباحثون أن سطح القطب المسامي (بدلاً من القطب الكتلي، مثل البطارية في البطارية)، لا يستهلك وقتاً طويلاً في عملية الإدخال. خلال هذه العملية، يجب إدخال أيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية، وهو ما يشكل وقتًا مهمًا لشحن البطارية. في هذه الدراسة، على الرغم من أن الباحثين استخدموا عددًا كبيرًا من أنواع الجرافيت المختلفة، فقد تم تحضير أنواع مختلفة من الجرافين (جرافين أحادي الطبقة ومختزل ومتعدد الطبقات)، ولكن تم تحليل هذه المواد والتكوينات بشكل أكبر لتحسين هذا الجهاز.

ومن ناحية أخرى، يخطط الباحثون لمواصلة دراسة دورة حياة هذه البطارية. حتى الآن، وجدوا أن هذه الأجهزة يمكنها الاحتفاظ بـ 95% من قدرتها بعد 1000 دورة، وحتى بعد 2000 دورة، لا يزال لا يوجد مؤشر على وجود شجيرات عصبية. ويخطط الباحثون أيضًا لمناقشة آليات تخزين الليثيوم المختلفة فيما يتعلق بأداء المعدات.

وقال جيانج باوز "نقدر أن تسويق تكنولوجيا البطاريات الوسيطة السطحية لن يواجه أي عقبات كبيرة". على الرغم من أن الجرافين الحالي يباع بسعر مرتفع، فإن شركة Angerstron Materials Company تعمل بشكل نشط على توسيع قوة إنتاج الجرافين. ومن المتوقع أن تنخفض تكلفة إنتاج الجرافيت بشكل كبير خلال السنوات 1-3 المقبلة.