كسر العلماء الصينيون لغز خوف بطاريات الليثيوم من البرد، ويأمل أن تتجاوز نطاقات السيارات الكهربائية 1000 كيلومتر

في المستقبل، قد لا يكون مدى القيادة الذي يقترب من الألف كيلومتر للسيارات الكهربائية حلماً بعيد المنال. في 19 مارس، وردت أنباء سارة من معهد أبحاث تكنولوجيا الفضاء بشنغهاي التابع لمجموعة الصين للعلوم والتكنولوجيا الفضائية: حيث أطلق فريق مشترك يتكون من موظفي معهد شنغهاي للفضاء 811 وجامعة نانكاي، نشرًا في المجلة العلمية الرائدة عالمياً “Nature”، يكشف عن اختراق هام في مجال بطاريات الليثيوم.

نجح الفريق في تطوير نوع جديد من محلول الإلكتروليت الهيدروفلوري، الذي لم يضاعف فقط كثافة طاقة بطاريات الليثيوم، بل حل بشكل جذري مشكلة تعطل البطاريات في درجات الحرارة المنخفضة، مما يعني أن السيارات الكهربائية المستقبلية يمكنها أن تقطع أكثر من ألف كيلومتر بشحنة واحدة، وحتى في ظروف شديدة البرودة تصل إلى -70 درجة مئوية، ستظل تعمل بشكل طبيعي.

قام فريق البحث المشترك من معهد شنغهاي للفضاء 811 وجامعة نانكاي بنشر هذا الاختراق في المجلة العلمية “Nature”.

على مدى سنوات، على الرغم من انتشار بطاريات الليثيوم، إلا أنها كانت مقيدة بعيبَي البرودة وقلة سعة التخزين.

قال الباحث لي يونغ من معهد شنغهاي للفضاء 811، إن بطاريات الليثيوم السائدة حالياً في السوق، التي تعمل عند درجة حرارة الغرفة، تتمتع بكثافة طاقة حوالي 300 واط ساعة/كجم، ولكن بمجرد انخفاض درجة الحرارة إلى -20 درجة مئوية، تتراجع أداؤها بشكل حاد، وتنخفض كثافة طاقتها إلى أقل من 150 واط ساعة/كجم. وهذا هو السبب الرئيسي وراء تقليل مدى السيارات الكهربائية بشكل كبير في الشتاء، وانطفاء الهواتف الذكية تلقائياً عند الاستخدام في الهواء الطلق.

أما الإنجاز الجديد، فهو رفع كثافة طاقة البطارية عند درجة حرارة الغرفة إلى أكثر من 700 واط ساعة/كجم، ومع ذلك، في ظل درجات حرارة تصل إلى -50 درجة مئوية، لا تزال تظهر أداءً يقارب 400 واط ساعة/كجم، متفوقة بكثير على مستويات البطاريات الحالية عند درجة حرارة الغرفة.

ببساطة، نفس وزن البطارية، فإن القدرة على تخزين الطاقة باستخدام التقنية الجديدة تتضاعف أو تتضاعف ثلاث مرات مقارنة بالتقنيات الحالية. بالنسبة للمستهلك العادي، فإن التأثير المباشر هو أن مدى السيارة الكهربائية سيرتفع من حوالي 500-600 كيلومتر إلى 1000 كيلومتر أو أكثر، مما يلغي قلق المسافة.

السر في هذا الاختراق يكمن في تجديد “دم” البطارية — وهو محلول الإلكتروليت. يُعد الإلكتروليت هو الطريق الذي يربط بين قطبي البطارية الموجب والسالب، ويقوم بنقل الشحنة الكهربائية. تعتمد الإلكتروليتات التقليدية بشكل رئيسي على عناصر الأكسجين والنيتروجين، وعلى الرغم من قدرتها على إذابة أملاح الليثيوم، إلا أن الطريق الذي تسلكه غير واسع وسلس، مما يحد من كفاءة نقل الشحنة، ويؤدي إلى بطاريات ذات سعة منخفضة وخوف من البرودة.

اتجه الفريق البحثي إلى مسار جديد، حيث ركز على عنصر الفلور، الذي يتناغم مع الأكسجين في الدورة الدموية. في مواجهة الحواجز التقنية التي تجعل من الصعب إذابة أملاح الليثيوم في الفلور، وبعد سنوات من البحث، نجح الفريق في تركيب مذيب جديد يحتوي على فلووروألكان واحد.

يُشبه هذا المذيب الجديد طريقاً سريعاً مطوراً، أكثر سلاسة واستقراراً، مما يعزز بشكل كبير سرعة حركة الأيونات في درجات الحرارة المنخفضة، وبالتالي يظل أداء البطارية قوياً حتى في الظروف القاسية.

تشير البيانات التجريبية إلى أن البطاريات التي تستخدم هذه التقنية يمكنها العمل بشكل طبيعي حتى في درجات حرارة تصل إلى -70 درجة مئوية، وهو أداء يكفي لمواجهة ظروف الأبحاث العلمية في القطب الجنوبي أو استكشاف الفضاء العميق.

لعب معهد شنغهاي للفضاء 811 دوراً هاماً في هذا البحث، حيث تولى مسؤولية تحسين الإلكتروليت، وتصميم البطارية، والتحقق من أدائها في ظروف العمل الحقيقية، مما يعكس القوة التكنولوجية المتقدمة لبلدنا في مجال تكنولوجيا مصادر الطاقة المتطورة.

قال لي يونغ إن أهمية هذه التقنية تتجاوز البيانات المختبرية، فهي ستحدث ثورة في عدة مجالات. في مجال التكنولوجيا العالية، ستمنح المركبات الفضائية والطائرات بدون طيار والروبوتات الذكية قدرة على الاستمرار لفترات أطول في البيئات شديدة البرودة، وتحمل أعباء أكبر؛ وفي الحياة اليومية، ستعالج عوائق أداء البطاريات في الجيل القادم من السيارات الكهربائية والهواتف المحمولة، مع إمكانية تحقيق قفزات نوعية في مدى السيارات الكهربائية ومدة انتظار الهواتف في درجات الحرارة المنخفضة، وحل مشكلات سعة التخزين والتكيف مع درجات الحرارة، مما يمهد الطريق لمستقبل أكثر طاقة وأماناً.