طوّر مهندسون أميركيون من جامعة ميشيغان عملية تصنيع مُعدّلة لبطاريات السيارات الكهربائية، تُحسّن بشكل كبير من سرعات الشحن في الطقس البارد، لمعالجة إحدى النقاط التي تؤرّق المستهلكين الجدد.
ويُعالج هذا الابتكار أحد أكبر المخاوف المتعلقة بتبنّي السيارات الكهربائية، ألا وهو انخفاض الكفاءة في درجات الحرارة المنخفضة.
وتُحدد الدراسة -التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة (مقرّها واشنطن)- مسارًا جديدًا لتحقيق شحن فائق السرعة في درجات حرارة منخفضة، دون التضحية بكثافة الطاقة.
ويُمكن لبطاريات الليثيوم أيون التي تستعمل هذه الطريقة الشحن أسرع بنسبة 500% حتى في درجات حرارة منخفضة تصل إلى -10 درجات مئوية.
وقد أُجري البحث في مختبر البطاريات بجامعة ميشيغان ومركز ميشيغان لتوصيف المواد؛ وتقدّم الفريق بطلب للحصول على براءة اختراع بدعم من شراكات الابتكار بجامعة ميشيغان.
تطوير بطاريات السيارات الكهربائية
يكمن التحسين الرئيس لبطاريات السيارات الكهربائية في تعديل هيكلي وطلاء يمنع تراكم الليثيوم على الأقطاب الكهربائية، وهي مشكلة شائعة تُضعف أداء البطارية.
نتيجةً لذلك، تحتفظ هذه البطاريات بنسبة 97% من سعتها بعد 100 دورة شحن سريع في درجات حرارة دون الصفر، بحسب تفاصيل الدراسة التي نشرتها مجلة “جول” (Joule).
وقال الأستاذ المُشارك في الهندسة الميكانيكية وعلوم وهندسة المواد بجامعة ميشيغان، نيل داسغوبتا: “نتوقع أن يكون هذا النهج مُتاحًا لمُصنّعي بطاريات السيارات الكهربائية دون الحاجة إلى تغييرات كبيرة في المصانع القائمة”.
وأضاف: “لأول مرة، أظهرنا مسارًا لتحقيق شحن سريع للغاية في آنٍ واحد بدرجات حرارة منخفضة، دون المساس بكثافة طاقة بطارية الليثيوم أيون”.
وتخزّن بطاريات السيارات الكهربائية القياسية الطاقة وتُطلقها عن طريق نقل أيونات الليثيوم بين الأقطاب الكهربائية عبر محلول إلكتروليت سائل، إلّا أن هذه الحركة تتباطأ في درجات الحرارة الباردة، ما يُقلل من كفاءة البطارية وسرعة الشحن.
ولزيادة مدى القيادة، زادت شركات صناعة السيارات سمك الأقطاب الكهربائية المستعملة في خلايا البطاريات.
وبينما سمح ذلك لها بضمان أوقات قيادة أطول بين الشحنات، فإنه يجعل الوصول إلى بعض الليثيوم صعبًا، ما يؤدي إلى بطء الشحن وانخفاض الطاقة لوزن بطارية معين.
سرعة شحن بطاريات السيارات الكهربائية
في السابق، طوّر فريق داسغوبتا تقنيةً لتحسين سرعة شحن بطاريات السيارات الكهربائية، من خلال إنشاء مسارات بحجم 40 ميكرومترًا في الأنود، وهو القطب الذي يستقبل أيونات الليثيوم خلال الشحن.
وقد مكّن حفر الغرافيت عن طريق تفجيره بالليزر أيونات الليثيوم من إيجاد أماكن للاستقرار بشكل أسرع، حتى في أعماق القطب، ما يضمن شحنًا أكثر انتظامًا.
وأدى هذا إلى تسريع الشحن في درجة حرارة الغرفة بشكل ملحوظ، إلّا أن الشحن البارد ظلَّ غير فعّال، بحسب ما أكدته الدراسة التي اطّلعت عليها منصة الطاقة المتخصصة.
وحدّد الفريق المشكلة: الطبقة الكيميائية التي تتشكل على سطح القطب الكهربائي نتيجة تفاعلها مع الإلكتروليت.
وأوضح الباحث الرئيس في الهندسة الميكانيكية، المؤلف المشارك في الدراسة، مانوج جانغيد، قائلًا: “هذا الطلاء يمنع شحن القطب الكهربائي بالكامل، ما يُقلل مرة أخرى من سعة طاقة البطارية”.
ولحلّ هذه المشكلة، استعمل الباحثون طبقة رقيقة من الزجاج بسمك 20 نانومترًا مصنوعة من بورات كربونات الليثيوم.
وقد حالَ هذا دون تشكُّل الطبقة السطحية المُسبّبة للمشكلة، وعند دمجها مع القنوات المحفورة بالليزر، نتج عن ذلك شحن أسرع بنسبة 500% في درجات الحرارة دون الصفر.
وقال الحاصل على درجة الدكتوراه حديثًا في الهندسة الميكانيكية، المؤلف الرئيس للدراسة، تاي تشو: “من خلال التآزر بين البنى الثلاثية الأبعاد والواجهة الاصطناعية، يُمكن لهذا العمل أن يُعالج في آنٍ واحد المعضلة الثلاثية المتمثلة بالشحن السريع في درجات حرارة منخفضة للقيادة لمسافات طويلة”.
قلق بشأن السيارات الكهربائية
مع ازدياد شعبية السيارات الكهربائية، ما يزال تردُّد المستهلكين قائمًا؛ فقد كشف استطلاع حديث أجرته الجمعية الأميركية للسيارات (AAA) أن نسبة البالغين الأميركيين الذين يُحتمل أن يشتروا سيارة كهربائية انخفضت من 23% في عام 2023 إلى 18% في عام 2024.
ومن أكبر المخاوف كيفية انخفاض مدى السيارات الكهربائية في الشتاء، مقترنًا بسرعات شحن أبطأ.
وأشارت تقارير من موجة البرد القارس في يناير/كانون الثاني 2024 إلى أن أوقات شحن بعض المركبات امتدّت لأكثر من ساعة بسبب انخفاض درجات الحرارة.
وقال داسغوبتا: “يستغرق شحن بطارية السيارة الكهربائية من 30 إلى 40 دقيقة حتى مع الشحن السريع المكثف، ويزداد هذا الوقت إلى أكثر من ساعة في الشتاء.. هذه هي النقطة المحورية التي نريد معالجتها”.
موضوعات متعلقة..
- أداء بطاريات السيارات الكهربائية في البرد.. ومقارنة بين 18 ألف مركبة كهربائية
- بطاريات السيارات الكهربائية.. تقنية تعزز كفاءتها في الطقس البارد (فيديو)
- بطاريات السيارات الكهربائية في أميركا تشهد تطورات جديدة (تقرير)
اقرأ أيضًا..
- حقل نفط عراقي احتياطياته 22 مليار برميل يحظى بعقد جديد
- محطات الكهرباء العاملة بالغاز المسال.. ما هي وما أهميتها؟
- %83 من مشروعات الهيدروجين في أوروبا لن ترى النور قبل 2030
- أول محطة كهرباء تعمل بالإيثانول في العالم.. تستمر 4 آلاف ساعة
المصادر:
- تقنية جديدة لتصنيع بطاريات السيارات الكهربائية من مجلة جول
- معلومات إضافية عن القنية الجديدة من الموقع الرسمي لجامعة ميشيغان
