بطارية إديسون المنسية تحصل أخيرًا على الترقية التي كان يحلم بها دائمًا
إليك ما جعلني أبتسم: الرجل الذي منحنا المصباح الكهربائي ربما يكون قد منحنا أيضًا مستقبل تخزين الطاقة، لكنه ببساطة لم يكن يدرك ذلك بعد.
في عام 1901، حصل توماس إديسون على براءة اختراع لبطارية النيكل والحديد. ما كان هدفه؟ ابتكار شيء أفضل من بطاريات الرصاص الحمضية السائدة في عصره. أرادها أن تكون موثوقة، وبأسعار معقولة، وقوية بما يكفي لجعل السيارات الكهربائية عملية حقًا. أعني، النوع من السيارات الذي يمكنه قطع أكثر من بضع عشرات الأميال قبل أن تنفد طاقته.
التوقيت، حسنًا، كان سيئًا
كان ذلك في الوقت الذي كانت فيه محركات الاحتراق الداخلي تتحسن بشكل كبير جدًا. أصبحت السيارات التي تعمل بالبنزين أرخص وأكثر عملية، أما السيارات الكهربائية؟ فقد اختفت فعليًا من الاستخدام السائد خلال القرن التالي. لم تنتشر بطارية إديسون قط، وتلاشت في صفحات التاريخ.
لكن هذه هي طبيعة الأفكار الجيدة حقًا: فهي تجد طريقة للانتظار حتى يحين وقتها.
حل "بسيط بشكل مدهش"
أحب هذه الجزء من القصة. أعاد فريق دولي من الباحثين مؤخرًا النظر في تصميم إديسون القديم ومنحه ترقية جادة تتناسب مع القرن الحادي والعشرين. ووفقًا للباحثين، فإن العملية ليست إجراءً معقدًا للغاية أو خياليًا. في الواقع، وصفها أحدهم بأنها "بسيطة بشكل مدهش".
قاموا بخلط بعض المكونات الشائعة، وطبقوا حرارة لطيفة، واستخدموا مواد متوفرة على نطاق واسع. لا عناصر أرضية نادرة، ولا مواد كيميائية غريبة—فقط علم ذكي يلتقي بمواد تقليدية.
اقتباس من الطبيعة الأم
هنا يصبح الأمر مثيرًا للاهتمام حقًا. نظر الباحثون إلى كيفية بناء أجسامنا للعظام. نعم، قرأت ذلك بشكل صحيح. تساعد بروتينات متخصصة في تكوين عناقيد من مركبات الكالسيوم التي تمنح هياكلنا العظمية القوة والبنية.
تساءل العلماء: هل يمكننا تكييف هذا النهج نفسه لإنشاء عناقيد صغيرة من النيكل والحديد لبطارية؟
قاموا بدمج البروتينات (المستخلصة من الأبقار، لا أقل) مع أكسيد الجرافين—مادة ثنائية الأبعاد فائقة الرقة—ثم سخّنوا الخليط إلى درجات حرارة عالية. تسببت هذه العملية في تفحم البروتينات، مما أزال الأكسجين وترك خلفه عناقيد معدنية متناهية الصغر. نتحدث عن عناقيد بعرض 5 نانومترات فقط. بعضها كان سمكها ذرة واحدة حرفيًا.
النتيجة؟ بطارية هلامية هوائية (أيروجيل) تتكون من 99% من الهواء بالحجم. يبدو هذا شبه مستحيل، لكن الحسابات تؤكد ذلك.
لماذا يهم الحجم كثيرًا
هنا يصبح العلم رائعًا حقًا. عندما تصغر الجسيمات إلى المقياس النانوي، تتضاعف مساحة سطحها بشكل هائل. فكر في الأمر مثل كسر لوح شوكولاتة إلى قطع صغيرة—نفس كمية الشوكولاتة، لكن مع مساحة سطح مكشوفة أكبر بكثير.
في البطارية، تعني مساحة السطح الأكبر وجود مواقع أكثر لحدوث التفاعلات الكيميائية. وهذا يعني شحنًا أسرع، وتفريغًا أسرع، وكفاءة إجمالية أفضل.
يمكن للبطارية الجديدة إعادة الشحن في ثوانٍ، وتحمل ما يصل إلى 12,000 دورة شحن. للمقارنة، بطارية هاتفك الذكي جيدة على الأرجح لبضع مئات من الدورات قبل أن تبدأ بالتدهور بشكل ملحوظ. يمكن شحن وتفريغ هذه البطارية يوميًا لأكثر من 30 عامًا والاستمرار في العمل.
إذن، ما هي المشكلة؟
لا شيء مثالي، وهذه البطارية لن تحل محل خلايا الليثيوم أيون في سيارتك تسلا أو هاتفك آيفون. لا يمكنها تخزين نفس القدر من الطاقة لكل رطل مقارنة بتقنية الليثيوم أيون، على الأقل ليس بعد.
لكن إليك الأمر—احتياجاتنا من الطاقة تتجاوز بكثير الأجهزة الشخصية. نتحدث عن تخزين الطاقة لمزارع شمسية كاملة، وإبقاء مراكز البيانات تعمل، وتوفير طاقة احتياطية للمستشفيات والمدن. هذه تحديات ضخمة ومعقدة تكافح بطاريات الليثيوم أيون في مواجهتها، خاصة للتخزين طويل الأمد.
كما أن لبطاريات الليثيوم أيون ميلًا غير ممتع