(نانوويرك): تعد البطاريات تقنية أساسية لمكافحة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من قطاعات النقل والطاقة والصناعة. ولكي تكون هذه البطاريات فعالة لتحقيق هذا الهدف، يجب أن تُظهر البطاريات أداءً فائقًا يتجاوز قدراتها الحالية من حيث الطاقة وأداءها وتجاوز حدودها النظرية، وعمر الاستهلاك والقدرة التشغيلية، وتعزيز السلامة العامة والاستدامة البيئية. إضافةً إلى ذلك، لكي تكون ناجحة تجاريًا، يجب أن تدعم هذه البطاريات قابلية التوسع في إنتاجًا على نطاق واسع بتكلفة اقتصادية.
تعد بطاريات أيونات الليثيوم اليوم أكثر حلول تخزين الطاقة انتشارًا للأجهزة الإلكترونية المحمولة وكذلك الكهرباء المنقولة. ولكن عندما يتعلق الأمر بالبطاريات، فهناك دائمًا مجالات للتطوير لتكون الأرخص والأكثر أمانًا واﻷطول عمرًا والأكثر كثافة للطاقة وقابلة لإعادة التدوير بسهولة.
إن مبادرة “BATTERY 2030+” هي مبادرة بحثية أوروبية واسعة النطاق من القطاعات المختلفة تجمع بين أهم أصحاب المصلحة في مجال البحث والتطوير للبطاريات لإنشاء مجتمع قوي لبحوث البطاريات ونظام الابتكار فيها يجعلها صديقة للبيئة. يتمثل هدف المبادرة في تطوير خارطة طريق طويلة المدى لأبحاث البطاريات في أوروبا. تقترح خارطة الطريق هذه إجراءات بحثية نحو تقنيات خارقة تؤدي للتغيير الجذري في اكتشاف وتطوير وتصميم بطاريات فائقة في الأداء والمتانة والآمنة في الاستخدام وتتميز بالاستدامة وذات تكلفة منخفضة لاستخدامها في كل التطبيقات الممكنة.
تتبع مبادرة “BATTERY 2030+” نهجًا كيميائيًا محايدًا لتسهيل اختراع بطاريات المستقبل. ليس هدفها تطوير كيمياء البطارية بعينها، ولكن لإنشاء الأدوات اللازمة لتساعد على تحويل طرق التطوير والتصميم للبطاريات بشكلها الحالي.
بفضل نهجها المحايد كيميائيًا ، فإن مبادرة “BATTERY 2030+” لها تأثير ليس فقط على الكيمياء الحالية للبطاريات القائمة على الليثيوم، ولكن أيضًا على جميع أنواع البطاريات الأخرى.
كمقالة منشورة حديثا في دورية “Advanced Energy Materials” بعنوان (“خارطة طريق لتحويل البحوث لاختراع بطاريات المستقبل المصممة ضمن مبادرة الأبحاث الأوروبية واسعة النطاق BATTERY 2030+”)*، تركز المبادرة على ثلاثة مواضيع شاملة تشمل ستة مجالات بحثية لمواجهة التحديات الرئيسية في ابتكار البطاريات المستدامة في المستقبل. الموضوعات الثلاثة الشاملة هي: الاكتشاف السريع لواجهات البطارية والمواد من حيث تكامل الوظائف الذكية والمناطق المتقاطعة.
كما هو موضح في الشكل أعلاه، فإن مجالات البحث الستة الموضحة في ثلاثة محاور مترابطة، وتساهم بأدوات جديدة ستغير طريقة اكتشاف البطاريات وتطويرها. الاستفادة من إمكانات الذكاء الاصطناعي (AI) ورؤية BATTERY 2030+ إلى تطوير مبادرة جينوم واجهة البطارية (BIG)** ومنصة تسريع المواد (MAP)*** لتسريع في تطوير مواد جديدة للبطاريات بشكل جذري.
سيكون أحد الجوانب المركزية لهذا الجهد هو تطوير بنية تحتية للبيانات الأوروبية المشتركة قادرة على إجراء الاستحواذ المستقل، ومعالجة واستخدام البيانات التي ترد من مختلف القطاعات العاملة في تطوير البطاريات. ستكون “MAP” و “BIG” أدوات قوية لاكتشاف مواد جديدة وهندسة واجهات البطارية، وعلى وجه الخصوص سيتم استخدامها لاكتشاف أو تحسين مواد ذاتية المعالجة والكيماويات المستخدمة. إن مستشعرات جديدة فعالة من حيث التكلفة بحساسية ودقة عاليتين، مدمجة على مستوى خلية البطارية، تقدم إمكانية إنتاج “البطاريات الذكية”.
تستهدف رؤية “BATTERY 2030+” إلى دمج تقنيات الاستشعار الجديدة هذه في نظام إدارة البطارية (BMS)****، لتوفير اتصال نشط بوظائف المعالجة الذاتية فورا لتعطينا بطارية الأكثر أمانًا مع واﻷطول عمر. أخيرًا، فإن التطوير الذي يتم إجراؤه في مجالات البحث الشاملة (أي قابلية التصنيع وإعادة التدوير) سيضمن ذلك تصنيع خلايا بطارية من الجيل التالي وإعادة تدويرها بكفاءة، بما في ذلك المواد الجديدة والواجهات المهندسة وأجهزة الاستشعار ووظائف المعالجة الذاتية.
عبر مجالات البحث هذه، ستكون سلامة واستدامة تقنيات البطاريات المطورة حديثًا من المبادئ التوجيهية المركزية. سيكون التقدم في جميع مجالات البحث المحددة ضروريًا لابتكار بطاريات ذات خصائص مصممة خصيصًا لتطبيقات بعينها. يتم تناول تصنيع تقنيات البطاريات المستقبلية في خريطة الطريق هذه في إطار الثورة الصناعية الرابعة وسيتم استغلال قوة النمذجة واستخدام الذكاء الاصطناعي لتقديم توائم رقمية لكل من تصميمات الخلايا المبتكرة، مع تجنب أو التقليل إلى حد بعيد من أساليب التجربة والخطأ التقليدية في منهجيات التصنيع.
سيمثل هذا النهج خطوة حاسمة نحو اكتشاف وتحسين تصميم البطاريات المستقلة، لأنه يربط الخصائص المرغوبة بتكوينات خلايا محددة، وتركيبات القطب الكهربائي، وهياكل المواد كأهداف للتصنيع والتوصيف والاختبار.
يمكن تصنيف تصنيع خلايا البطارية عمومًا إلى ثلاث مراحل: إنتاج القطب الكهربائي، وتجميع الخلايا، وإنهاء الخلية. تشتمل مرحلة إنتاج الإلكترودات على عدة خطوات، مثل الخلط، والطلاء، والتجفيف، والحز، والتقويم، وخطوات الطلاء والتجفيف باعتبارها أكثر العمليات تكلفة. وفي مرحلة تجميع الخلايا، أصبحت خطوات مثل التكديس والتعبئة بالكهرباء ضرورية، لأنها عمومًا هي الأكثر استهلاكا للوقت والتكلفة. أخيرًا، في مرحلة تشطيب الخلية، يعد تكوين الخلايا وتقادمها من أكثر العمليات تكلفة، تعكس تحديات حول وقت المعالجة ومعدل العائد منه.
باختصار، تتمثل رؤية “BATTERY 2030+” في ابتكار بطاريات المستقبل، وتزويد الصناعة الأوروبية بتقنيات عتيدة وميزة تنافسية عبر سلسلة القيمة الكاملة. سيكون للعلم والتكنولوجيا الرائدة في هذه الرؤية والمبادرة تأثيرا لا يقدر بثمن على الانتقال المستمر نحو اقتصاد دائري وخالي من الكربون.
بقلم مايكل بيرجر – مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء: مجتمع النانو: دفع حدود التكنولوجيا، تقنية النانو: المستقبل المنتهى الصغر، و الهندسة النانوية: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية*****
تمت التَّرْجَمَةً من قبل موقع نادي نانو
الهوامش:
*”A Roadmap for Transforming Research to Invent the Batteries of the Future Designed within the European Large Scale Research Initiative BATTERY 2030+”
**Battery Interface Genome
***Materials Acceleration Platform
****Battery Management System
*****
By Michael Berger – Michael is author of three books by the Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology,
Nanotechnology: The Future is Tiny, and
Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible
