المكثفات الفائقة المبنية على الغرافين تحقق تقدماً جديداً بمجال السيارات الكهربائية

هنا نتحدث عن أمرين هامين بمجال التقنيات المستقبلية: المكثفات الفائقة والسيارات الكهربائية. فبالنسبة للسيارات الكهربائية،
فإنها قد بدأت تشكلاً حلاً مثالياً لأزمة وسائل التنقل، من حيث توليد الطاقة اللازمة لعملها، والسبب في ذلك هو التطور الكبير الحاصل بمجال البطاريات وقدرتها على توليد قوة الدفع اللازمة لعمل السيارة. من ناحيةٍ أخرى، فإن هذه السيارات لا تزال بطيئة وضعيفة مقارنةً بالسيارات التقليدية التي تعتمد محركاتها على توليد قوة الدفع اللازمة اعتماداً على حرق الوقود (بنزين أو مازوت). ما علاقة المكثفات الفائقة بهذا الأمر؟ حسناً، المكثفات الفائقة (تعرف بالانجليزية بـ SuperCapacitors أو Ultra-Capacitors) تشكل بدورها أحد الحلول الرائعة بمجال أجهزة تخزين الطاقة، فهذه التكنولوجيا المتطورة، تستطيع تأمين أجهزة تخزين طاقة بسعاتٍ تصل حتى آلاف الفارادات، وهو ما يعني قدرات خزن طاقة كبيرة مقياساً مع المكثفات التقليدية التي لا تتجاوز سعاتها قيمة المايكرو فاراد. ومنذ تطور المكثفات الفائقة، تم اقتراحها بشكلٍ كبير لتكون مصدر طاقة فعال يمد السيارات الكهربائية بالطاقة اللازمة لعملها، ولفتراتٍ طويلة.

والآن، أعلن مجموعة من الباحثين في جامعة كوينزلاند في أستراليا عن تطويرهم لمكثفٍ فائق جديد يعتمد على مادة الغرافين وأنابيب الكربون النانوية، وهم واثقون تماماً أن هذا المكثف الجديد سيكون قادراً على تعزيز طاقة السيارات والعربات الكهربائية بشكلٍ كبير، حيث تعتمد هذه السيارات حالياً على بطاريات شوارد الليثيوم Li-Ion Batteries.

وفي بحثهم الجديد (الذي تم نشره في مجلة Journal of Power Sources ومجلة Nanotechnology) استخدم الباحثون شرائح مصنوعة من الغرافين لتشكل أقطاب البطارية، واستخدموا أنابيب الكربون النانوية لتكون مجمعاتٍ للتيار، وكانت النتيجة هي الحصول على كثافةٍ طاقية تتراوح ما بين 6-14 واط بالساعة لكل كيلوغرام، و 250-450 كيلوواط لكل كيلوغرام.
كان الأمل سابقاً يحدو العلماء والباحثين بالتمكن من استخدام مادة الغرافين في تشكيل أقطاب المكثفات الفائقة، وذلك بهدف تعزيز قدرتها على خزن الطاقة بشكلٍ كبير ومماثل لقدرة البطاريات الكيميائية، حيث تصل الكثافة الطاقية للمكثفات الفائقة المستخدمة تجارياً إلى حوالي 28 واط ساعي لكل كيلوغرام، وهي قيمة صغيرة مقارنةً مع الكثافة الطاقية لبطاريات شوارد الليثيوم التي تصل إلى 200 واط ساعي لكل كيلوغرام.

وقد أشار العديد من الباحثين سابقاً لخاصيةٍ تتعلق بالغرافين: يمتلك مساحة سطحية كبيرة. وتمكن أهمية المساحة السطحية الكبيرة التي يمتلكها الغرافين في أنها ستساهم بزيادة عدد الشوارد التي يمكن أن تتوضع على أحد الأقطاب الكهربائية للمكثف الفائق، وزيادة عدد الشوارد المرتبطة سيعني زيادة الكثافة الطاقية. ولكن وعلى الرغم من ذلك، فإنه الأبحاث السابقة لم تجد أن الغرافين قادر على تشكيل قطب بطارية بشكلٍ أكثر كفاءة من أي نمط كربوني آخر.

وعلى الرغم من أن الغرافين لوحده لن يساهم بتعزيز وزيادة الكثافة الطاقية للمكثفات الفائقة، إلا أن الفائدة الأساسية تتعلق بقدرته على الناقلية الكهربائية (الغرافين أفضل ناقل كهربائي مكتشف حتى الآن)، فناقليته العالية ستسمح للنواقل الفائقة بالعمل عند تردداتٍ طبيعية أعلى بكثير من المواد المتواجدة حالياً في السوق، وفضلاً عن ذلك، فإن هنالك ميزة أخرى تتعلق بالغرافين، وهي أنه يمكن تشكيله وتنظيمه بدءاً من أبعادٍ صغيرة جداً، بخلاف المواد الحالية المستخدمة في صناعة المكثفات الفائقة. وهذه هي الفوائد التي انصب اهتمام الباحثين الاستراليين عليها، فقد اقترحوا أن شرائح المكثفات الفائقة التي قاموا بتصميمها يمكن أن تستخدم كجزء من المواد المشكلة لهيكل السيارة، مما يمنح تعزيزاً كهربائياً سريعاً لكل السيارات الكهربائية التي تعتمد على بطاريات شوارد الليثيوم.

يقول الباحث ماركو نوتارياني :” تحتاج السيارات الكهربائية إلى تدفق طاقة إضافي من أجل التسارع، وهنا يأتي دور المكثفات الفائقة، فهي تخزن مقداراً ضئيلاً من الطاقة، إلا أنها تمتلك القدرة على تفريغه بشكلٍ سريعٍ جداً، مما يجعلها المكمل المثالي لعمل البطاريات المباعة حالياً في الأسواق. هذه القدرة الطاقية التي تمنحها إيانا المكثفات الفائقة خلال فترةٍ زمنية قصيرة تعني حصولنا على معدلٍ أعلى للتسارع السيارة، فضلاً عن زمن الشحن القليل للمكثفات الفائقة الذي لا يتجاوز بضعة دقائق، مقياساً مع الزمن الشحن الذي تتطلبه البطاريات التقليدية والذي يصل إلى عدة ساعات”.

المصدر