5 مواد لتغيير قواعد اللعبة لتخزين الطاقة بكفاءة عالية

الوصف

اكتشف خمس مواد رائدة تغير الطريقة التي نخزن بها الطاقة. نوضح هنا مزايا وعيوب كل مادة بعبارات مبسطة، مع تعليق من خبير في الكيمياء والهندسة.

الجرافين

الجرافين هو شكل من أشكال الكربون الذي يشتهر بطبقته الرقيقة للغاية أحادية الذرة وموصلية عالية. ويعد الجرافين واعداً كمادة واعدة لتخزين الطاقة لأنه يمكن أن يحسن أداء البطاريات والمكثفات. حيث تسمح توصيليته الكهربائية بحركة سريعة للشحنات، مما قد يؤدي إلى سرعة التفريغ والشحن. كما أن الجرافين قوي ومرن للغاية، ويمكن استخدامه لصنع أجهزة تخزين طاقة متينة وخفيفة في آن واحد. وتظهر الأبحاث باستمرار أن إدراج الجرافين في أجهزة تخزين الطاقة يمكن أن يخلق أجهزة ذات عمر أطول يمكنها العمل في ظروف أكثر قسوة.

بطاريات الليثيوم والكبريت

أصبحت بطاريات الليثيوم-كبريت (Li-S) منافساً قوياً لبطاريات الليثيوم-أيون التقليدية. والسبب في هذه الإثارة هو أنها تتمتع بإمكانية الاحتفاظ بالمزيد من الطاقة وتكون أخف وزناً. وإحدى الخصائص المهمة لبطاريات Li-S هي أنها تستخدم الكبريت كمادة للكاثود، والكبريت غير مكلف ووفير. وعلى الرغم من كل هذه المزايا، فإن لبطاريات الليثيوم والكبريت أيضاً عيوبها مثل تكوين منتجات ثانوية غير مرغوب فيها تميل إلى تدهور أدائها بمرور الوقت. ويعمل العلماء على التغلب على هذه العقبات من خلال تحسين كيمياء وتصميم هذه البطاريات. وبمجرد إتقان بطاريات Li-S، ستكون بطاريات Li-S قادرة على تشغيل كل شيء من الأجهزة المحمولة إلى السيارات الكهربائية بكفاءة أكبر.

إلكتروليتات الحالة الصلبة

ستحدث إلكتروليتات الحالة الصلبة ثورة في مجال تخزين الطاقة حيث ستحل محل الإلكتروليت السائل الموجود في البطاريات التقليدية. وبفضل المواد الصلبة، تكون البطاريات أكثر أماناً حيث تقل مخاطر التسرب والحرائق. كما تعد بطاريات الحالة الصلبة بعمر افتراضي أطول وكثافة طاقة محسنة. ويتمثل التحدي الذي تواجهه إلكتروليتات الحالة الصلبة في إيجاد مواد تسمح للأيونات بالتحرك من خلالها بنفس السهولة التي تتحرك بها في السوائل. ويستكشف الباحثون العديد من السيراميك والبوليمرات لتحديد أكثرها قابلية للتطبيق. ومع استمرار تحسن المواد، ستتيح إلكتروليتات الحالة الصلبة تخزين الطاقة بشكل أكثر أمانًا وموثوقية وأقل تكلفة.

المواد المتغيرة الطور

تعد المواد المتغيرة الطور (PCMs) تقنية جديدةأخرى لتخزين الطاقة. تخزن PCMs الطاقة في شكل حرارة، على أساس ظاهرة الذوبان والتجميد. تستهلك المواد المتغيرة الطور الكثير من الطاقة أثناء ذوبانها وتعيد الطاقة أثناء تجمدها. وهذا يجعلها مناسبة للغاية لاستخدامات مثل التحكم الحراري في المباني والتحكم الإلكتروني في درجة الحرارة. وتتمثل إحدى مزايا ثنائي الفينيل متعدد الكلور في قدرته على العمل على نطاق واسع من درجات الحرارة وتخزين الطاقة دون الحاجة إلى أنظمة معقدة. ويتطلب دمج وحدات PCMs في أنظمة الطاقة اليومية هندسة دقيقة للسماح بحدوث التغيرات الطورية في درجة الحرارة بشكل موثوق ومضبوط.

البطاريات المعدنية الهوائية

تمثل البطاريات المعدنية الهوائية بعضاً من أكثر التطورات قابلية للتطبيق في مجال تخزين الطاقة. وتستخدم هذه البطاريات الأكسجين من الهواء كأحد المواد المتفاعلة، مما يقلل من وزنها وتكلفتها بشكل كبير. ويمكن أن تكون للبطاريات المعدنية الهوائية كثافة طاقة عالية باستخدام معادن مثل الزنك أو الألومنيوم كأنود. ونظراً لأن الأكسجين مورد وفير، فإن هذه البطاريات ليست فعالة من حيث التكلفة فحسب، بل إنها صديقة للبيئة أيضاً. على الرغم من هذه الفوائد، لا تزال بطاريات الهواء المعدني في مرحلة البحث بسبب صعوبات مثل تكوين المنتجات الثانوية أثناء التفاعل وكيفية الحفاظ على أداء مستقر على مدى دورات عديدة. ومع ذلك، فإن المهندسين متفائلون بأن الأبحاث الجارية ستُترجم إلى بطاريات هوائية معدنية هوائية عملية عالية الأداء في المستقبل غير البعيد. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة المتداولة

س: لماذا يُعد الجرافين مادة جيدة لتخزين الطاقة؟

س: الجرافين مادة موصلة وقوية ومرنة، مما قد يؤدي إلى شحن أسرع وأجهزة تخزين طاقة أكثر مرونة.

س: ما الذي يجعل البطاريات أكثر أمانًا في الحالة الصلبة؟

س: إنها تقضي على خطر تسرب السوائل وتقلل من خطر الحرائق باستخدام مواد صلبة بدلاً من السوائل القابلة للاشتعال.

س: لماذا تُعد البطاريات المعدنية الهوائية أكثر صداقة للبيئة؟

س: تستخدم البطاريات المعدنية الهوائية الأكسجين من الهواء كمادة متفاعلة، مما يقلل من الحاجة إلى المواد السامة أو الثقيلة وربما يقلل من التأثير البيئي.