تعد البطاريات التي تعتمد على الليثيوم جزءًا لا يتجزأ من حياتنا منذ عقود وهي مطلوبة لمختلف الأجهزة الإلكترونية. ولكن لماذا أصبحت البطاريات القائمة على الليثيوم شائعة جدًا ، وهل هناك بدائل أفضل؟ ما الذي يمكن أن يحل يومًا ما محل بطاريات الليثيوم تمامًا؟
ما هي بطاريات الليثيوم؟
بطاريات الليثيوم (بطاريات الليثيوم أيون) هي أكثر أنواع البطاريات شيوعًا اليوم. تم اقتراح فكرة البطاريات التي تعتمد على الليثيوم لأول مرة في عام 1976 من قبل مايكل ستانلي ويتنجهام ، الكيميائي البريطاني. أصبحت البطاريات القائمة على الليثيوم متاحة تجاريًا لأول مرة على نطاق واسع بعد بضع سنوات ، في عام 1991 ، عندما دخلت حيز الإنتاج الضخم.
يمكن أن تأتي البطارية القائمة على الليثيوم بأشكال عديدة ، مع أكثر المتغيرات بروزًا بما في ذلك الليثيوم فوسفات الحديد وأكسيد الكوبالت الليثيوم وأكسيد المنغنيز الليثيوم والنيكل والنيكل والكوبالت والمنغنيز أكسيد. تحتوي هذه البطاريات على خلايا طاقة صغيرة ، كل منها يتكون من قطب موجب (كاثود) ، وقطب سالب (أنود) ، وإلكتروليت.
داخل الخلية ، تتحرك أيونات الليثيوم بين الأقطاب الموجبة والسالبة ، حيث يعمل المنحل بالكهرباء كناقل للحركة. أيونات الليثيوم (Li +) لها شحنة موجبة وبالتالي تنجذب إلى القطب السالب. يتكون القطبان أيضًا من مكونات رئيسية. في حالة بطارية أكسيد الكوبالت الليثيوم النموذجية ، يتكون الكاثود من أكسيد الكوبالت الليثيوم ، بينما يصنع الأنود عادةً من مركب قائم على الكربون يعرف باسم الجرافيت.
سوف يتخلى الكاثود عن بعض أيونات الليثيوم الموجبة ، والتي تنتقل بعد ذلك إلى القطب الموجب عبر الإلكتروليت ، وتطلق الطاقة التي ستستخدمها البطارية لإنتاج طاقتها. يعتمد الآن مليارات الأشخاص حول العالم على هذه العملية السريعة والبسيطة لتزويد أجهزتهم بالوقود.
العديد من العلامات التجارية لبطاريات الليثيوم أيون تستخدم مرة واحدة. بينما يمكنهم تشغيل الجهاز لأسابيع أو شهور أو حتى سنوات ، يجب التخلص منه واستبداله بمجرد نفاد البطارية. لكن، بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن تحظى بشعبية كبيرة الآن ، حيث يمكنها توفير أموال المستخدمين وإنتاج نفايات أقل.
ولكن لماذا ، بالضبط ، تعتبر البطاريات القائمة على الليثيوم هي الخيار الأفضل؟ ما الذي يجعلها خيارًا جذابًا للمصنعين والمستهلكين؟
لماذا نستخدم بطاريات الليثيوم؟
نحن نستخدم البطاريات القائمة على الليثيوم بشكل أساسي بسبب عمرها الطويل مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى. يرغب المصنعون في إنتاج وبيع البطاريات التي توفر الطاقة لبضعة أيام مع الحفاظ على وزنها وخفة وزنها وصغر حجمها. علاوة على ذلك ، وفقًا لـ معهد الطاقة النظيفة، تتمتع بطاريات الليثيوم أيون بتفريغ ذاتي منخفض جدًا يبلغ حوالي 1-2٪ شهريًا ، مما يعني أنها تفقد نسبة أقل من طاقتها الإجمالية في كل مرة يتم استخدامها.
يمكن لبطاريات الليثيوم أيون إنتاج الطاقة عبر عملية كيميائية بسيطة ، مما يجعلها خيارًا جذابًا للغاية للمصنعين. إضافة إلى ذلك ، فإن كثافة الطاقة لبطاريات الليثيوم أيون تجعلها الخيار المفضل. تبلغ سعة بطارية الليثيوم أيون القياسية 260-270 واط / كجم (واط / ساعة لكل كيلوجرام) ، بينما يمكن أن تصل سعة بطاريات الرصاص الحمضية إلى 50-100 واط / كجم فقط (حسب طاقة اليعسوب). تعد كثافة طاقة بطاريات الليثيوم أيون أيضًا سببًا رئيسيًا وراء وجودها يشيع استخدامها في السيارات الكهربائية.
بسبب هذه العوامل ، تحظى البطاريات التي تعتمد على الليثيوم بشعبية كبيرة بين عامة الناس ، كما أنها ليست باهظة الثمن عند شرائها. في حين أن بعض العلامات التجارية أو طرز البطاريات يمكن أن يكون لها سعر أعلى ، فإن البطاريات القياسية القائمة على الليثيوم تكون عمومًا ميسورة التكلفة ومتاحة في ملايين المتاجر حول العالم.
لكن بطاريات الليثيوم أيون ليست مثالية بأي حال من الأحوال. في الواقع ، هناك بعض المشكلات الصارخة المرتبطة بمصدر الطاقة الشهير بشكل لا يصدق.
مشكلة البطاريات القائمة على الليثيوم
واحدة من أكبر المشاكل المرتبطة ببطاريات الليثيوم أيون هي الكم الهائل من النفايات التي تنتجها. يختار العديد من الأشخاص التخلص من البطاريات عن طريق النفايات العادية بمجرد نفاد الطاقة ، مما يضر بالبيئة.
عندما يتم التخلص من بطاريات الليثيوم أيون جنبًا إلى جنب مع النفايات العامة الأخرى غير القابلة لإعادة التدوير ، فإنها تنتهي في مكب النفايات. بمجرد هبوطها هنا ، يمكن أن تتسرب مكوناتها وتضر بشدة بالبيئة المحيطة. يمكن أن يشكل الليثيوم والنيكل والكوبالت والمنغنيز جميعًا مخاطر تلوث خطيرة وكلها موجودة في أنواع مختلفة من البطاريات التي تعتمد على الليثيوم.
علاوة على ذلك ، فإن استخراج الليثيوم لهذا النوع من البطاريات يضر أيضًا بكوكبنا. يمكن استخراج الليثيوم عن طريق تعدين الملح أو التبخر ، ولكلا العمليتين تأثير سيء على البيئة. يعد التلوث وزيادة ملوحة المياه وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون وفقدان التنوع البيولوجي من الآثار الجانبية المقلقة لاستخراج الليثيوم.
بالنظر إلى أنه من المتوقع أن ينمو سوق بطاريات الليثيوم بنسبة 14.6 في المائة بين عامي 2020 و 2026 (كما ورد في ستاتيستا) ، من المحتمل أن تستمر عملية استخراج الليثيوم في تشكيل تهديد بيئي. هذا أيضًا ملف قلق متزايد في صناعة إنتاج المركبات الكهربائية.
فما هي البدائل؟
أفضل 4 بدائل للبطاريات القائمة على الليثيوم
1. بطاريات المياه المالحة
تغطي محيطات المياه المالحة ثلثي كوكبنا. إذن ، كيف يمكن استخدام هذا المورد لتوليد الطاقة؟
تستخدم بطاريات المياه المالحة محلول ملحي مركز لإنتاج الطاقة. تحتوي بطاريات المياه المالحة أيضًا على أنود وكاثود ، حيث يعمل المحلول الملحي كإلكتروليت (أو ناقل) لأيونات الصوديوم الموجبة (أيونات الصوديوم). تنتقل أيونات الصوديوم من القطب السالب إلى القطب الموجب لإنتاج الطاقة.
لا تُستخدم مياه البحر الفعلية في بطاريات المياه المالحة ، ولكن يمكن حصاد كميات كبيرة من الملح من المحيط واستخدامها في هذه البطاريات. قد يكون استخدام المياه المالحة لصنع البطاريات أقل ضررًا بيئيًا من عمليات الاستخراج المستخدمة في الليثيوم والكوبالت والنيكل والمعادن الأخرى المستخدمة في البطاريات.
2. بطاريات زجاجية
قد تبدو البطاريات الزجاجية غير عادية إلى حد ما ، لكنها تتمتع بإمكانيات كبيرة. تعتبر البطارية الزجاجية فكرة جديدة نسبيًا ، وضعها الفيزيائي جون جودناف لأول مرة في عام 2017. تستخدم هذه البطارية ، المعروفة باسم "بطارية Goodenough" ، الزجاج كمحلول إلكتروليت. بينما تأتي إلكتروليتات البطارية عادةً في صورة سائلة ، فإن البطارية الزجاجية صلبة تمامًا.
يعد استخدام الإلكتروليت الصلب أكثر أمانًا من الإلكتروليتات السائلة ، مما يقلل من فرص نشوب الحرائق ويزيل مخاطر النض في مدافن النفايات. علاوة على ذلك ، يمكن للبطارية الزجاجية أن تدوم لفترة أطول من بطاريات الليثيوم أيون ، مما يجعلها بديلاً أكثر استدامة بشكل عام. يستخدم الصوديوم أيضًا في البطاريات الزجاجية ، والتي ، كما ذكرنا عند مناقشة بطاريات المياه المالحة ، مصدر أكثر استدامة من معادن البطاريات التقليدية.
3. بطاريات الصوديوم والكبريت
بطاريات الصوديوم الكبريتية (NaS) هي شكل من أشكال بطاريات الحالة السائلة التي تستخدم الأنودات والكاثودات المنصهرة. في هذه الحالة ، يأتي الأنود والكاثود في صورة سائلة ، حيث يكون الأول عبارة عن صوديوم منصهر والأخير عبارة عن كبريت مصهور. هذه البطاريات موجودة منذ الستينيات قبل اختراع بطارية الليثيوم أيون. ولكن ما هي إمكانات بطارية NaS في عالمنا؟
الميزة الرئيسية لبطاريات الصوديوم الكبريتية هي كثافة طاقتها الأعلى من بطاريات الليثيوم أيون. في الحقيقة، باحثين في جامعة سيدني ابتكرت بطارية صوديوم-كبريت بسعة طاقة أربعة أضعاف طاقة بطاريات الليثيوم أيون في عام 2022. علاوة على ذلك ، تعد بطاريات الصوديوم والكبريت أقل سمية من بطاريات الليثيوم أيون ، وهو خبر سار للبيئة.
4. بطاريات القنب
لن تعتقد أن القنب لديه القدرة على استبدال بطاريات الليثيوم أيون ، لكن هذا النبات أثبت تنوعه مرة أخرى. ومع ذلك ، تأتي هذه البطاريات مع تحذير: لا تزال تستخدم المعادن الثقيلة مثل الليثيوم للعمل.
ايكو ووتش ذكرت أن أحد الأمثلة على بطارية تعمل بالقنب ، طورها باحثون في عام 2022 ، تستخدم الليثيوم والكبريت في عملية توليد الطاقة. الفرق هنا هو أن المعادن الثقيلة الأخرى ، مثل النيكل أو الكوبالت ، لا يتم استخدامها ، والبطارية نفسها تتمتع بأداء محسّن مقارنة بمتغيرات الليثيوم أيون التقليدية. وذلك لأن القنب يساعد الكاثود على إطالة عمره من خلال دورات متكررة.
البطاريات القائمة على القنب هي أيضًا أكثر فعالية من حيث التكلفة ويتم النظر في استخدامها في السيارات الكهربائية. للتعرف على أنواع بطاريات المركبات الكهربائية المختلفة ، تحقق من قطعة مخصصة حول الموضوع.
يمكن أن تصبح صناعة البطاريات أكثر خضرة في المستقبل
مع وجود مثل هذه البدائل الواعدة لبطاريات الليثيوم أيون التي تعمل بالفعل ، من المثير التفكير في مستقبل صناعة البطاريات. إذا تم تسويق هذه البدائل بنجاح ، فيمكننا منع عدد لا يحصى من المشكلات والكوارث البيئية. الكل في الكل ، إنه فوز لجميع بدائل الليثيوم أيون!