Watafiti wa Harvard wametengeneza betri ya hali dhabiti ambayo inachaji kwa dakika kumi na hudumu kwa miaka 30, lakini teknolojia iliyosisitizwa sana inabaki kuwa suluhisho la muda mrefu la mpito wa nishati.
Watu polepole lakini kwa hakika wanakumbatia magari ya umeme (EVs), lakini kasi ya mpito huo bado inahitaji kuharakisha ili ulimwengu kufikia lengo lake la utoaji wa hewa-sifuri katika 2050. Licha ya maboresho makubwa ya EVs, madereva wengi bado wanasitasita kuacha nyuma urahisi wa magari yao yanayotumia petroli. Pamoja na gharama, wasiwasi juu ya ukosefu wa vituo vya malipo na maisha ya betri yalitajwa kuwa vikwazo kuu kwa watumiaji wa Marekani kununua EV katika uchunguzi wa Ipsos Mori mwaka jana. Kwa watengenezaji wa magari, mengi ya haya yanatokana na vikwazo vinavyoendelea vya kudumu na maisha marefu ya betri zilizopo za lithiamu-ion (Li-ion) chini ya boneti za EVs.
Hata hivyo, timu ya wanasayansi katika Chuo Kikuu cha Harvard wanaamini wamechukua hatua muhimu katika kutatua matatizo haya. Watafiti katika Shule ya Uhandisi na Sayansi Iliyotumika (SEAS) wameunda mpya "hali imara" betri ambayo inaweza kuchaji kwa muda unaohitajika kujaza tanki la petroli, na kuvumilia mizunguko ya chaji mara 3-6 zaidi ya betri ya kawaida ya EV.
Betri za hali ngumu kwa muda mrefu zimezingatiwa kuwa njia takatifu ya mabadiliko makubwa hadi kwa usafirishaji wa umeme, na mbio za kuzifanya za kibiashara zimeongezeka kwa kasi katika miaka ya hivi karibuni. Aina kama hizi za Toyota na Volkswagen zinatengeneza matoleo yao wenyewe, ambayo wanatarajia kuingia kwenye magari mwishoni mwa muongo huu. Kwa kuimarika kwa ubunifu huu wa hivi punde kutoka Harvard, je, betri za hali dhabiti ziko tayari kutimiza shauku zao?
Faida za imara juu ya elektroliti kioevu
Leo, betri za Li-ion zinatawala roost; zinatumika katika kila kitu kutoka kwa simu za mkononi na kompyuta za mkononi hadi EVs na mifumo ya kuhifadhi nishati. Watafiti na watengenezaji wamepunguza bei ya betri za Li-ion kwa 90% katika muongo mmoja uliopita na wanaamini kuwa wanaweza kuzifanya ziwe nafuu bado. Pia wanaamini kuwa wanaweza kutengeneza betri bora zaidi ya lithiamu.
Betri hizi hutumia elektroliti kioevu kusogeza ayoni kati ya cathode na anodi wakati wa kutoa na kuchaji. Hata hivyo, kioevu kinaweza kuwaka na huzuia kuongezwa kwa vifaa vinavyoongeza maisha ya betri. Watafiti wanaamini kuwa suluhu moja litakuwa ni kutumia imara badala ya elektroliti za maji.
Betri hizi za hali dhabiti huahidi aina nyingi za faida juu ya wenzao wa msingi wa kioevu. Zaidi ya yote, hutoa wiani mkubwa wa nishati; kumaanisha kuwa wanaweza kuhifadhi nishati zaidi kwa kila kitengo cha ujazo au uzito, na hivyo kusababisha maisha marefu ya betri au vifurushi vidogo, vyepesi vya betri. Pia wanaahidi maisha marefu ya mzunguko; kuhimili mizunguko zaidi ya kutokwa kwa chaji bila kuharibika, na hivyo kuongeza muda wa maisha wa betri. Utumiaji wa elektroliti dhabiti pia huwezesha kuchaji kwa haraka zaidi bila hatari ya uharibifu wa betri kutokana na usafiri bora wa ioni.
Betri za hali shwari zinaweza kufanya kazi katika safu pana zaidi ya halijoto kuliko betri za kioevu, hivyo kuruhusu matumizi bora katika hali mbaya ya hewa. Kwa ujumla huchukuliwa kuwa salama zaidi kwa sababu elektroliti dhabiti hupunguza hatari ya saketi fupi na joto kupita kiasi, ambayo inaweza kusababisha moto au milipuko katika betri za kioevu. Hatimaye, elektroliti imara inaweza kufanywa kutoka kwa anuwai pana ya vifaa vya bei nafuu na rafiki wa mazingira.
Kwa ujumla, betri za hali dhabiti zina uwezo wa kubadilisha tasnia ya betri kwa kutoa utendakazi ulioboreshwa, usalama na maisha marefu ikilinganishwa na betri za kawaida za lithiamu-ioni. "Kwa sababu ya msongamano wao wa juu wa nishati, betri za hali dhabiti zitakuwa sahihi zaidi kwa EV badala ya mifumo [ya kituo] ya kuhifadhi nishati, na inaweza kweli kuwa mchangiaji mkuu katika usambazaji wa umeme wa usafiri mkubwa," anasema Teo Lombard, modeli ya nishati kwa usafirishaji katika Wakala wa Nishati wa Kimataifa (IEA).
"Kuruka mbele" katika muundo wa betri ya hali dhabiti
Watafiti wa SEAS walitengeneza betri ya ukubwa wa stempu kwa kutumia muundo wa "pochi cell", badala ya kibadala cha kawaida cha "sarafu". Betri ilihifadhi uwezo wa 80% baada ya mizunguko 6,000 ya kuchaji na ilifanya kazi vizuri katika halijoto ya chini. Iliboresha betri zingine za hali dhabiti kwani watafiti waligundua njia ya kuifanya na anode ya chuma ya lithiamu, ambayo ina uwezo mara kumi ya anode ya kawaida ya grafiti.
Muundo mpya wa safu nyingi, wa nyenzo nyingi uliweza kuondokana na tatizo la kuenea la "dendrites" - miundo inayofanana na mizizi ambayo inakua kutoka kwenye uso wa anode kwenye electrolyte. Hizi zinaweza kutoboa kizuizi kinachotenganisha cathode pinzani, na kusababisha betri kwenye mzunguko mfupi na, wakati mwingine, kuwaka moto.
Muda wa kudumu wa betri - sawa na karibu miaka 30 - unaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa gharama ya EVs, wakati uwezo wa kuchaji betri katika dakika chache huipa msongamano wa kipekee wa nishati ambao unaweza kujitolea kwa programu zingine.
“Tuliweza kuchaji betri ndani ya dakika 5–10 kwa mizunguko 6,000; kawaida huchukua betri za EV saa kadhaa kuchaji na zina kati ya mizunguko 1,000 na 2,000," anasema Xin Li, profesa mshiriki wa sayansi ya vifaa katika SEAS, na mtafiti mkuu kwenye mradi huo. "Utafiti wetu pia unaonyesha unaweza kutumia vifaa vingine kama anode, kama vile fedha, magnesiamu au silicon. Hakika ni hatua kubwa kuelekea kuongeza uzalishaji kwa wingi kwa betri za serikali imara.
"Kutoka kwa maabara hadi ulimwengu wa kweli"
Sio kila mtu ana hakika, hata hivyo. "Changamoto ya sasa ya betri za hali dhabiti ni utekelezaji na kuongeza kasi, badala ya kupata kitu bora zaidi katika kiwango cha seli," anasema Lombard.
Kwa mtazamo wa uhandisi, changamoto ambayo sekta hii bado haijaweza kushinda ni kutengeneza kifurushi cha betri ya hali dhabiti ambacho kinaweza kustahimili shinikizo la juu huku pia kikiwa na uwezo wa "kupumua" - kupanua na kupunguzwa. "Suluhisho la tatizo hili linaweza kupuuza faida ya msongamano wa nishati ya betri za serikali dhabiti, kwa hivyo hilo ni swali ambalo tasnia inahitaji kujibu katika miaka ijayo kupitia mchakato wa kuongeza," anasema Lombard.
Kwa mtazamo wa usalama, tatizo lingine ambalo watengenezaji wa hali dhabiti wanahitaji kushinda ni kwamba hata kama betri ya hali dhabiti haishika moto inapokatika kwa muda mfupi, vifaa vingine kwenye injini vinaweza. "Tena, hii ni changamoto ya kihandisi ambayo inahitaji kujaribiwa na kuthibitishwa katika kiwango cha viwanda," anasema Lombard.
Hatimaye, kuna kikwazo kikubwa cha kujenga mnyororo wa usambazaji wa betri za hali imara. Kulingana na Lombard, minyororo ya ugavi wa betri inahitaji vifaa vya hali ya juu kwa viwango vya juu sana, kwa sababu betri inashindwa kufanya kazi na hata kiwango kidogo cha uchafu. "Hiyo inachukua muda mrefu kujenga," anasema. "Hiyo pia ni kwa sababu uga mpana wa betri unakua kwa kasi, kwa hivyo hali dhabiti haiingii katika soko lisilobadilika lakini badala yake moja ambapo kila teknolojia - pamoja na betri ya kitamaduni ya lithiamu-ioni - inaboreka haraka na unahitaji kupata nafasi ndani yake."
Kwa Lombard, mafanikio ya betri za serikali dhabiti hayatakuja kupitia mafanikio mapya ya kitaaluma - "muhimu ingawa utafiti huu ni", anatahadharisha - lakini badala yake jinsi tasnia itakavyotatua changamoto zilizosalia za kihandisi na kukuza msururu wa usambazaji unaohusiana.
"Betri za hali shwari zina uwezo mkubwa, lakini jinsi tasnia inavyotatua changamoto hizi [za uhandisi] itaamua kama zitachukua soko la betri za EV au kama zitasalia kuwa programu tumizi ya magari na lori za masafa marefu," anasema.
Kulingana na utafiti wa hivi majuzi kutoka Focus, jukwaa la uchambuzi wa AI ambalo linatabiri mafanikio ya kiteknolojia kulingana na data ya kimataifa ya hataza, teknolojia ya betri ya hali dhabiti inaimarika kwa kiwango cha 31% mwaka baada ya mwaka. Ingawa inavutia, hiyo kwa sasa si kasi ya kutosha kutatiza viongozi walio madarakani - huku betri za Li-ion zikiboreka kwa asilimia 30.5 sawa.
IEA imetabiri kuwa betri za hali dhabiti zitachukua jukumu muhimu katika mpito wa net-sifuri, haswa kupunguza uchukuzi mzito kupitia programu kama vile lori za umeme. "Lakini ni muhimu kwamba tusiimalizie au kuishusha chini tasnia," anasema Lombard. Ikiwa betri za hali dhabiti zitafanikiwa kutimiza uwezo wao, itakuwa wakati fulani katika miaka ya 2030, anatabiri. "Kwa sasa, zinahitaji kuhamishwa kutoka kwa maabara hadi ulimwengu wa kweli."
Kwa upande wake, Li anaamini kuwa itakuwa karibu 2030 kabla ya serikali-mshikamano kuanza kutawala. "Kabla ya hapo, bado kuna vikwazo vingi vya kiufundi vya kushinda," anasema. "Mafanikio [ya hivi majuzi] hayaleti tarehe ya 2030 mbele, yanafanya tarehe hiyo kuwezekana."
Chanzo kutoka Tu Auto
Kanusho: Maelezo yaliyoelezwa hapo juu yametolewa na just-auto.com bila ya Chovm.com. Chovm.com haitoi uwakilishi na dhamana kuhusu ubora na uaminifu wa muuzaji na bidhaa.
