في يوم الأربعاء القادم الموافق 24 نوفمبر، ستناقش أحدث مائدة مستديرة بعنوان "القيادة نحو المستقبل" الشكل الذي قد يبدو عليه مستقبل إنتاج البطاريات في كندا. سواء كنت متفائلاً -أو كنت تعتقد حقًا أن جميع السيارات ستكون كهربائية بحلول عام 2035- أو كنت تعتقد أننا لن نصل إلى هذا الهدف الطموح، فإن السيارات التي تعمل بالبطاريات جزء مهم من مستقبلنا. إذا أرادت كندا أن تكون جزءًا من هذه الثورة الكهربائية، فنحن بحاجة إلى إيجاد طريقة لتصبح الشركة الرائدة في تصنيع أنظمة طاقة السيارات في المستقبل. لمعرفة كيف يبدو المستقبل، شاهد أحدث اجتماع لنا حول تصنيع البطاريات في كندا يوم الأربعاء الساعة 11:00 صباحًا بالتوقيت الشرقي.
ننسى بطاريات الحالة الصلبة. وينطبق الشيء نفسه على كل هذه الضجة حول أنودات السيليكون. وحتى بطارية الألمنيوم والهواء التي يتباهى بها والتي لا يمكن شحنها في المنزل لا يمكنها أن تهز عالم السيارات الكهربائية.
ما هي البطارية الهيكلية؟ حسنًا، هذا سؤال جيد. لحسن الحظ بالنسبة لي، الذي لا يريد التظاهر بأنني قد لا أمتلك الخبرة الهندسية، فإن الإجابة بسيطة. يتم تشغيل السيارات الكهربائية الحالية بواسطة البطاريات المثبتة في السيارة. أوه، لقد وجدنا طريقة جديدة لإخفاء جودتها، وهي بناء كل بطاريات الليثيوم أيون هذه في أرضية الهيكل، وإنشاء منصة "لوح التزلج" التي أصبحت الآن مرادفة لتصميم السيارات الكهربائية. لكنهم ما زالوا منفصلين عن السيارة. إضافة، إذا صح التعبير.
تعمل البطاريات الهيكلية على تقويض هذا النموذج من خلال جعل الهيكل بأكمله مصنوعًا من خلايا البطارية. في مستقبل يشبه الحلم على ما يبدو، لن تكون الأرضية الحاملة فقط - بدلاً من أن تحتوي على بطاريات - فحسب، بل ستكون أجزاء معينة من الجسم - الأعمدة والأسقف، وحتى، كما أظهرت إحدى المؤسسات البحثية، من الممكن، الغرفة المضغوطة بفلتر الهواء - ليست مجهزة بالبطاريات فحسب، بل تتكون بالفعل من البطاريات. وعلى حد تعبير مارشال ماكلوهان العظيم، السيارة عبارة عن بطارية.
حسنًا، على الرغم من أن بطاريات الليثيوم أيون الحديثة تبدو ذات تقنية عالية، إلا أنها ثقيلة الوزن. كثافة طاقة أيون الليثيوم أقل بكثير من كثافة طاقة البنزين، لذلك لتحقيق نفس المدى الذي تحققه مركبات الوقود الأحفوري، تكون البطاريات في المركبات الكهربائية الحديثة كبيرة جدًا. كبير جدًا.
والأهم من ذلك أنها ثقيلة. مثل الثقيل في "الحمل الواسع". الصيغة الأساسية المستخدمة حاليا لحساب كثافة طاقة البطارية هي أن كل كيلوغرام من أيون الليثيوم يمكن أن يولد حوالي 250 واط / ساعة من الكهرباء. أو في عالم الاختصارات يفضل المهندسون 250 وات/كجم.
قم بإجراء القليل من العمليات الحسابية، بطارية بقوة 100 كيلووات في الساعة تشبه سيارة تسلا موصولة ببطارية من طراز S، مما يعني أنه أينما ذهبت، سوف تسحب حوالي 400 كجم من البطارية. هذا هو التطبيق الأفضل والأكثر كفاءة. بالنسبة لنا نحن الأشخاص العاديين، قد يكون من الأكثر دقة تقدير أن بطارية بقدرة 100 كيلووات في الساعة تزن حوالي 1000 رطل. مثل نصف طن.
تخيل الآن شيئًا مثل سيارة Hummer SUT الجديدة، والتي تدعي أن لديها طاقة داخلية تصل إلى 213 كيلووات في الساعة. حتى لو وجد الجنرال بعض الاختراقات في الكفاءة، فإن سيارة هامر الأعلى ستظل تسحب حوالي طن من البطاريات. نعم ستقود السيارة لمسافة أبعد، لكن بسبب كل هذه المزايا الإضافية فإن الزيادة في المدى لا تتناسب مع مضاعفة البطارية. وبطبيعة الحال، يجب أن تتمتع شاحنتها بمحرك أكثر قوة - أي أقل كفاءة - لتتناسب مع ذلك. أداء البدائل الأخف والأقصر مدى. كما سيخبرك كل مهندس سيارات (سواء من حيث السرعة أو الاقتصاد في استهلاك الوقود)، فإن الوزن هو العدو.
وهنا يأتي دور البطارية الهيكلية. فمن خلال بناء السيارات من البطاريات بدلاً من إضافتها إلى الهياكل القائمة، يختفي معظم الوزن الإضافي. إلى حد ما، أي عندما يتم تحويل جميع الأشياء الهيكلية إلى بطاريات، فإن زيادة نطاق السيارة يؤدي إلى عدم فقدان الوزن تقريبًا.
كما تتوقع - لأنني أعلم أنك تجلس هناك وتفكر "يا لها من فكرة عظيمة!" - هناك عقبات أمام هذا الحل الذكي. الأول هو إتقان القدرة على صنع البطاريات من المواد التي يمكن استخدامها ليس فقط كأنودات وكاثودات لأي بطارية أساسية، ولكن أيضًا قوية بما فيه الكفاية وخفيفة جدًا! - هيكل يتسع لسيارة طنين وركابها، ومن المؤمل أن يكون آمنا.
ليس من المستغرب أن المكونين الرئيسيين لأقوى بطارية هيكلية حتى الآن، والتي صنعتها جامعة تشالمرز للتكنولوجيا واستثمرها معهد KTH الملكي للتكنولوجيا، أشهر جامعتين هندسيتين في السويد، هما ألياف الكربون والألومنيوم. بشكل أساسي، يتم استخدام ألياف الكربون كقطب سلبي؛ يستخدم القطب الموجب رقائق الألومنيوم المطلية بفوسفات حديد الليثيوم. نظرًا لأن ألياف الكربون تقوم أيضًا بتوصيل الإلكترونات، فليست هناك حاجة للفضة والنحاس الثقيل. يتم فصل الكاثود والأنود بواسطة مصفوفة من الألياف الزجاجية التي تحتوي أيضًا على إلكتروليت، لذلك فهو لا ينقل أيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية فحسب، بل يوزع أيضًا الحمل الهيكلي بين الاثنين. يبلغ الجهد الاسمي لكل خلية بطارية 2.8 فولت، ومثل جميع بطاريات السيارات الكهربائية الحالية، يمكن دمجها لإنتاج 400 فولت أو حتى 800 فولت الشائع في السيارات الكهربائية اليومية.
وعلى الرغم من أن هذه قفزة واضحة، إلا أنه حتى هذه الخلايا ذات التقنية العالية ليست جاهزة للعمل في أوقات الذروة على الإطلاق. تبلغ كثافة طاقتها 25 واط/ساعة لكل كيلوغرام، وتبلغ صلابتها الهيكلية 25 غيغاباسكال (GPa)، وهي أقوى قليلاً فقط من ألياف الزجاج الإطارية. ومع ذلك، وبتمويل من وكالة الفضاء الوطنية السويدية، يستخدم الإصدار الأخير الآن المزيد من ألياف الكربون بدلاً من أقطاب رقائق الألومنيوم، والتي يدعي الباحثون أنها تتمتع بالصلابة وكثافة الطاقة. في الواقع، من المتوقع أن تنتج بطاريات الكربون/الكربون الحديثة هذه ما يصل إلى 75 واط/ساعة من الكهرباء لكل كيلوغرام ومعامل يونغ يبلغ 75 جيجا باسكال. ربما لا تزال كثافة الطاقة هذه متخلفة عن بطاريات الليثيوم أيون التقليدية، لكن صلابتها الهيكلية أصبحت الآن أفضل من الألومنيوم. بمعنى آخر، قد تكون البطارية القطرية لهيكل السيارة الكهربائية المصنوعة من هذه البطاريات قوية من الناحية الهيكلية مثل البطارية المصنوعة من الألومنيوم، ولكن سيتم تقليل الوزن بشكل كبير.
من المؤكد تقريبًا أن أول استخدام لهذه البطاريات عالية التقنية هو الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. وقال ليف أسب، البروفيسور في جامعة تشالمرز: "في غضون سنوات قليلة، سيكون من الممكن تمامًا صنع هاتف ذكي أو كمبيوتر محمول أو دراجة كهربائية يبلغ وزنها نصف وزن اليوم فقط وأكثر إحكاما". ومع ذلك، كما أشار الشخص المسؤول عن المشروع، "نحن في الحقيقة مقيدون فقط بخيالنا هنا."
البطارية ليست فقط أساس السيارات الكهربائية الحديثة، ولكنها أيضًا أضعف حلقاتها. وحتى أكثر التوقعات تفاؤلاً لا يمكنها إلا أن ترى ضعف كثافة الطاقة الحالية. ماذا لو أردنا الحصول على المدى المذهل الذي وعدنا به جميعًا - ويبدو أن شخصًا ما يعد كل أسبوع بـ 1000 كيلومتر لكل شحنة؟ - سيتعين علينا أن نفعل ما هو أفضل من إضافة البطاريات إلى السيارات: سيتعين علينا أن نصنع سيارات من البطاريات.
ويقول الخبراء إن الإصلاح المؤقت لبعض الطرق المتضررة، بما في ذلك طريق كوكوهالا السريع، سيستغرق عدة أشهر.
تلتزم Postmedia بالحفاظ على منتدى مناقشة نشط ولكن خاص وتشجع جميع القراء على مشاركة آرائهم حول مقالاتنا. قد يستغرق الأمر ما يصل إلى ساعة حتى تظهر التعليقات على الموقع. نطلب منك أن تبقي تعليقاتك ذات صلة ومحترمة. لقد قمنا بتمكين إشعارات البريد الإلكتروني - إذا تلقيت ردًا على تعليق، أو إذا تم تحديث سلسلة تعليقات تتابعها، أو إذا تابعت تعليق مستخدم، فستتلقى الآن بريدًا إلكترونيًا. يرجى زيارة إرشادات المجتمع الخاصة بنا للحصول على مزيد من المعلومات والتفاصيل حول كيفية ضبط إعدادات البريد الإلكتروني.