بطاريات السيليكون والكربون: البديل الواعد لليثيوم

في السنوات الأخيرة، شهد عالم تكنولوجيا الهاتف المحمول تقدماً مذهلاً في كل جانب تقريباً من جوانب تصميم الأجهزة: الشاشات، والكاميرات، والاتصال، والمعالجات، والوظائف الذكية. ومع ذلك، عمر البطارية لقد كان موضوعا معلقا. وهنا يأتي دور بطاريات السيليكون والكربون، وهي ثورة هادئة من المقرر أن تغير قواعد اللعبة بالنسبة للهواتف الذكية والعديد من الأجهزة الإلكترونية الأخرى.

لماذا يتحدث الجميع عن هذه التكنولوجيا؟ القفزة الجيلية التي وعدوا بها فيما يتعلق بـ بطاريات الليثيوم أيون - الأكثر شيوعًا حتى الآن- الأمر لا يتعلق فقط بالتسويق. وقد أصبح تأثيرها الحقيقي محسوسًا بالفعل في نماذج من علامات تجارية مثل Honor وXiaomi وOnePlus وvivo وRealme، كما أن العلامات التجارية الكبرى مثل Samsung وApple قد وضعت أنظارها عليها بالفعل. إذا كنت مهتمًا بمعرفة المزيد حول ما يجعلها مختلفة، وما هي كل ما يتعلق بها، وكيف ستغير تجربتك على الهاتف المحمول، فتابع القراءة. فيما يلي التحليل الأكثر شمولاً وتفصيلاً باللغة الإسبانية حول بطاريات السيليكون والكربون وجميع مزاياها.

ما هي بطاريات السيليكون والكربون ولماذا ظهرت؟

لقد برزت بطاريات السيليكون والكربون كبديل حقيقي وقوي لبطاريات الليثيوم أيون التقليدية المستخدمة على نطاق واسع في الهواتف المحمولة، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، والأجهزة اللوحية، والساعات الذكية، وكذلك في المركبات الكهربائية. ويأتي تطويرها استجابة مباشرة للطلب المتزايد على مزيد من الاستقلالية والشحن السريع وكفاءة الطاقة، فضلاً عن الضغط من أجل أجهزة أرق وأخف وزناً دون التضحية بالسعة.

لفهم سبب وجودها، يجب أن نأخذ في الاعتبار أن بطاريات ليثيوم أيون مع أنود الجرافيتفي حين أنها كانت معيارًا موثوقًا به، فقد وصلت إلى نقطة الركود التكنولوجي. إن مجال التحسين من حيث كثافة الطاقة والتصغير يضيق بشكل متزايد. من الناحية الفنية، تبلغ سعة التخزين النظرية لأنودات الجرافيت حوالي 372 مللي أمبير/جرام. وعند ترجمة هذا إلى الحياة الواقعية، فهذا يعني أن زيادة عمر البطارية تتضمن بالضرورة زيادة الحجم المادي للبطارية، وهو أمر غير ممكن دائمًا في هاتف فائق النحافة أو قابل للطي.

الحل جاء من السيليكون والكربون، وهي مواد معروفة بالفعل في الصناعة، ولكن حتى الآن كان من الصعب تكييفها بنجاح مع احتياجات الأجهزة المحمولة. وقد أتاح الجمع بينهما التغلب على القيود المهمة التي سنراها في الأقسام التالية.

كيف تعمل بطاريات السيليكون والكربون: العلم وراء الثورة

للوهلة الأولى، تتبع بطاريات السيليكون والكربون نفس المخطط الأساسي لبطاريات أيونات الليثيوم التقليدية: قطبان كهربائيان (الأنود والكاثود) مفصولان بواسطة إلكتروليت يسهل حركة أيونات الليثيوم أثناء الشحن والتفريغ. لكن التغيير الأساسي هو في الأنود، الجزء "السالب" من البطارية.

تقليديا، كان يتم تصنيع الأنود من الجرافيت، وهي مادة، على الرغم من كونها موثوقة ورخيصة، إلا أنها تحد من سعة تخزين الليثيوم. هو من ناحية أخرى، يمكن للسيليكون أن يحتفظ بكمية من أيونات الليثيوم تصل إلى 10 أضعاف الكمية الموجودة في الجرافيت لكل وحدة كتلة. (تصل إلى سعة نظرية تبلغ 4200 مللي أمبير/جرام). وهذا يفتح الباب أمام المزيد من البطاريات ذات الكثافة العالية في الطاقة.

ولكن السيليكون النقي لديه عيب خطير: يتمدد حتى 400% عند امتصاص أيونات الليثيوم أثناء إعادة الشحن وينكمش عند التفريغ.. وقد أدت هذه الظاهرة، على المدى الطويل، إلى تدهور البطاريات بسرعة، وفقدان سعتها واستقرارها.

لقد تم العثور على المفتاح دمج السيليكون مع هياكل الكربون النانوية. وتعمل هذه العناصر كـ"هيكل" مرن يمتص توسع السيليكون ويحافظ على استقرار بنية الأنود، مما يمنع البطارية من التدهور ويضمن عمرًا طويلاً. بالإضافة إلى ذلك، يعمل الكربون على تحسين التوصيل الكهربائي والاستقرار أثناء دورات الشحن والتفريغ.

يسمح خليط السيليكون والكربون بتصنيع بطاريات تتناسب مع نفس المساحة التي تتناسب مع البطاريات الحالية، ولكن بسعة أكبر، أو أنها تحافظ على السعة وتكتسب المزيد من النحافة، وهي مثالية للهواتف المحمولة فائقة النحافة أو القابلة للطي.

المزايا الرئيسية لبطاريات السيليكون والكربون مقارنة ببطاريات الليثيوم التقليدية

الميزة الرئيسية، والتي يلاحظها المستخدمون بسرعة، هي عمر البطارية المحسن: ساعات أكثر من استخدام الهاتف المحمول دون القلق بشأن الشاحن. ولكن هناك العديد من الفوائد الأخرى التي تستحق تسليط الضوء عليها:

• كثافة طاقة أعلى: تخزن بطاريات السيليكون والكربون المزيد من الطاقة لكل جرام، مما يسمح بزيادة السعة دون التضحية بالحجم أو الوزن.
• وقت تشغيل أطول لكل شحنة: وفي الاختبارات والتحليلات الحقيقية مثل DxOMark مع محطات مثل Honor X9c، لوحظ أنها يمكن أن تصل إلى أربعة أيام من الاستقلالية مع الاستخدام المعتدل.
• شحن فائق السرعة: إنها تدعم قوى شحن عالية جدًا (بعض الموديلات تدعم ما يصل إلى 100/120 وات)، مما يسمح لك بشحن هاتفك في وقت أقل ودون خطر ارتفاع درجة الحرارة.
• عمر أطول: إنها تتحمل دورات شحن وتفريغ أطول قبل أن تتدهور، مما يؤدي إلى إطالة عمر البطارية وتقليل الحاجة إلى الاستبدال المتكرر.
• أكثر أمانا: يقلل التركيب الفيزيائي لأنودات السيليكون والكربون من احتمالية الانفجار ويقلل من قابلية الاشتعال، مما يجعلها أكثر استقرارًا في ظل الظروف القاسية والأحمال السريعة.
• أداء أفضل في درجات الحرارة المنخفضة: إنها تعمل بشكل أفضل في البيئات الباردة، وتحافظ على المدى وقوة الشحن عندما تفشل العديد من البطاريات التقليدية أو تفقد سعتها.
• خفض التكاليف على المدى المتوسط ​​والطويل: قد تساعد المواد الرخيصة والمتانة المحسنة، في المستقبل، في جعل الأجهزة أكثر تكلفة إلى حد ما أو جعل الاستثمار أكثر جدوى من حيث الجودة/السعر.

التطور التاريخي: من السيارات الكهربائية إلى الهواتف الذكية

إن فكرة استخدام السيليكون والكربون في أقطاب البطارية ليست جديدة تمامًا. في الواقع، بدأت الأبحاث منذ أكثر من عقد من الزمان في جامعات مثل جامعة ستانفورد، ولكن الدافع الحقيقي جاء من صناعة السيارات، وتحديداً في قطاع السيارات الكهربائية.

كانت العلامات التجارية مثل تيسلا رائدة في دمج هذه التكنولوجيا في نماذج مثل موديل 3 منذ عام 2016، سعياً لتحقيق قدر أكبر من الاستقلالية في المركبات دون زيادة حجم أو وزن البطاريات. لقد كان القفز إلى قطاع الهاتف المحمول أمرًا طبيعيًا، نظرًا لأن تحديات الاكتناز والكفاءة والقوة شائعة.

بدأت القفزة التجارية الكبيرة في الهواتف المحمولة في عام 2023 مع Honor وسلسلة Magic5، والتي كانت أول من أطلق هواتف ببطاريات السيليكون والكربون على نطاق واسع. وبعد فترة وجيزة، انضمت علامات تجارية أخرى مثل Xiaomi وVivo وOPPO وRealme وLenovo إلى هذا الاتجاه، حيث أطلقت أجهزة مزودة بهذه التقنية وأظهرت أنها قابلة للتطبيق ليس فقط في النطاق المتميز، ولكن أيضًا في النطاقات المتوسطة التنافسية.

وقد بدأت العلامات التجارية والنماذج الكبرى بالفعل في اختيار بطاريات السيليكون والكربون.

لقد قامت جميع العلامات التجارية الصينية الكبرى تقريبًا، إما بالتعاون أو بشكل مستقل، بتطوير إصداراتها الخاصة من بطاريات الأنود المصنوعة من السيليكون والكربون. وفيما يلي بعض الأمثلة التي تبرز في المشهد الحالي:

• شرف: ريادة تقنية بطارية "Qinghai Lake" المستخدمة في سلسلة Magic5 وطرازات سلسلة Honor 200 و200 Pro، وتحقيق سعات تبلغ 5.450 مللي أمبير في الساعة في نفس المساحة المحجوزة سابقًا لحوالي 5.100 مللي أمبير في الساعة، وتحسين الشحن السريع حتى 100 وات.
• هواوي: وقد قامت الشركة بدمج بطاريات عالية السيليكون في نماذج مثل Huawei Mate Xs 2، حيث وصلت إلى 4.880 مللي أمبير في أجسام رقيقة للغاية، باستخدام هياكل طلاء الكربون وتحسين الاستقرار وعمر البطارية.
• XIAOMI: بفضل بطارية "Jinshajiang" الموجودة في هاتف Xiaomi 14 Ultra، يصل حجمها إلى 5.300 مللي أمبير في الساعة مع كثافة طاقة قياسية وانخفاض في الحجم بنسبة 8% مقارنة بالأجيال السابقة.
• ون بلس/أوبو: تتميز بطارية "Glacier" المطورة بالتعاون مع CATL بسعة 6.100 مللي أمبير في الساعة في Ace 3 Pro وشحن سريع بقوة 100 وات، مما يوفر كفاءة كبيرة في الأجسام المدمجة.
• واقعي انا: تم دمج "بطارية الطاقة" في GT6، مع تقنية الشحن السريع للغاية بسعة 5.800 مللي أمبير و120 واط.
• فيفو: ويعتمد على بطارية "Blue Ocean Battery"، التي تصل سعتها في هاتف X100 Pro إلى 5.400 مللي أمبير في الساعة، مما يعمل على تحسين كثافة الطاقة ويسمح أيضًا بسرعات شحن عالية.
• لينوفو: وتتميز بـ "بطارية Xinghai" المعتمدة في سلسلة Moto Razr 50 Ultra، والتي تصل سعتها إلى 4.000 مللي أمبير في الساعة في الهواتف المحمولة القابلة للطي خفيفة الوزن للغاية.

وبالإضافة إلى ذلك، تعمل علامات تجارية أخرى مثل Realme وVivo وOPPO، وقريبًا Samsung وApple، على دمج بطاريات السيليكون والكربون في إصداراتها القادمة.

مقارنة عملية: أمثلة على الاستقلالية والشحن السريع في الهواتف المحمولة الحالية

وتدعم البيانات العملية تفوق بطاريات السيليكون والكربون على بطاريات الليثيوم ذات أنودات الجرافيت. على سبيل المثال:

• ويستطيع هاتف Honor X9c الوصول إلى أكثر من 42 ساعة من التحدث وما يصل إلى أربعة أيام من الاستخدام المعتدل بشحنة واحدة، مع القدرة على تحمل يومين من الاستخدام المكثف مع سبع ساعات من وقت الشاشة اليومي.
• تزيد بطارية Honor Magic 5 Pro (النسخة الصينية) إلى 5.450 مللي أمبير في الساعة في نفس المساحة مثل بطارية 5.100 مللي أمبير في الساعة (بطارية الليثيوم التقليدية) للنسخة الدولية، مع شحن من 0 إلى 80% في 42 دقيقة فقط عند 66 وات.
• يقدم هاتف OnePlus Ace 3 Pro بطارية بسعة 6.100 مللي أمبير في الساعة في عامل شكل مضغوط، مع الحفاظ على السُمك القياسي وتوفير عمر بطارية غير مسبوق للهواتف المتطورة.
• تتيح لك بطارية "Glacier" شحن هاتفك بالكامل في 36 دقيقة فقط، وهو أمر لم يكن من الممكن تصوره قبل بضع سنوات فقط.
• يمكن لهاتف Realme GT6 شحن 50% في 12 دقيقة فقط، وذلك بفضل التكامل الفعال لمواده وخوارزميات إدارة الطاقة الذكية.

يفتح هذا إمكانيات جديدة لمستخدمي الهواتف المحمولة بكثافة (الألعاب، والمؤثرين، والعاملين عن بعد، وما إلى ذلك)، والذين يمكنهم الآن قضاء ساعات في الإبداع أو اللعب أو العمل دون الحاجة إلى القلق باستمرار بشأن الشحن.

الأداء في الظروف القاسية والكفاءة في الأجهزة القابلة للطي أو فائقة النحافة

من بين المزايا الأقل مناقشة، ولكنها حاسمة لبطاريات السيليكون والكربون هي الاستقرار والسلامة في بيئات العمل القاسية، وخاصة في درجات الحرارة المنخفضة.

وبحسب معلومات من وسائل إعلام متخصصة، فإن الهواتف المحمولة المجهزة بهذه البطاريات يمكنها العمل بشكل طبيعي بين -20 درجة مئوية و45 درجة مئويةحيث كانت البطاريات التقليدية في السابق تعاني من انخفاض كبير في استقلاليتها وقد تتوقف عن العمل أو تتعرض للتلف بشكل لا رجعة فيه.

وهذا مفيد بشكل خاص في البلدان أو المناطق ذات الشتاء القارس.، أو لأولئك الذين يسافرون كثيرًا ويحتاجون إلى جهاز لا يخيب آمالهم.

علاوة على ذلك، فإن السُمك المنخفض يجعل من الممكن تصميم هواتف ذكية قابلة للطي تحافظ على عمر بطارية جيد دون التضحية بالمتانة أو قابلية النقل.

الابتكار والتقدم التقني: من تكنولوجيا النانو إلى التصميم الهيكلي

أصبح تطوير بطاريات السيليكون والكربون ممكنًا بفضل تطبيق تكنولوجيا النانو وتصميم هياكل مرنة ومستقرة على المستوى المجهري. ومن بين أبرز الابتكارات:

• "هياكل" كربونية مسامية تمتص توسع السيليكون، مما يسمح بدمج المزيد من المواد النشطة دون حدوث كسور.
• تقنيات طلاء السطح التي تعمل على تحسين التوصيل ومنع التدهور بسبب دورات الشحن.
• مواد رابطة مرنة ومبتكرة تعمل على ربط جزيئات السيليكون/الكربون معًا على الرغم من التمدد والانكماش الدوري.
• تعمل الخوارزميات الذكية وبرامج الإدارة على تحسين الأداء من خلال تكييف الشحن والتفريغ السريع مع الخصائص الفريدة لكل بطارية ومستخدم.

على وجه التحديد، تقنيات مثل الترسيب البخاري في الموقع للنانوسيليكون ودمج رقائق الليثيوم وقد أتاحت التقنيات التكميلية زيادة كفاءة الشحن وإطالة عمر الخدمة بنسبة تصل إلى 80% بعد 1.600 دورة شحن، وهي أرقام تتجاوز بكثير المعايير السابقة.

الآفاق المستقبلية: نحو التبني الجماعي

لا يزال استخدام بطاريات السيليكون والكربون في أوجه. في الوقت الحالي، تتضمن معظم الأجهزة المتوسطة والعالية الجودة من العلامات التجارية الصينية هذه الميزة بالفعل، ومن المتوقع أنه بحلول عام 2025، سيبدأ استخدامها على نطاق واسع في المزيد من النطاقات وفي العلامات التجارية الغربية. وتشير مصادر الصناعة إلى أن سامسونج وآبل تعملان بالفعل بنشاط على تطوير بطاريات السيليكون والكربون لهواتفهما الرائدة المستقبلية.

بالإضافة إلى ذلك، يتم استثمار ملايين الدولارات في الأبحاث لتحسين عملية التركيب والتصنيع بشكل أكبر، مما سيقلل التكاليف ويسهل استخدامها في الهواتف الذكية وغيرها من الأجهزة بأسعار معقولة، مثل الساعات الذكية والأجهزة اللوحية ومنتجات الأتمتة المنزلية.

معدل التحسن السنوي في القدرة والكفاءة حوالي 10٪ وبحسب الشركات المصنعة، فمن المتوقع أن يتم تجاوز علامة 7.000 مللي أمبير في الساعة في الهواتف المحمولة ذات الحجم القياسي خلال بضع سنوات.

الصعوبات والتحديات الحالية: السعر والترخيص والتوافر

ليس كل شيء من الذهب، أو بالأحرى، من الليثيوم أو السيليكون اللامع. إن الحاجز الرئيسي الحالي أمام التبني العالمي لبطاريات السيليكون والكربون هو كلف. ولا تزال الأجيال الأولى تتطلب عمليات تصنيع أكثر تعقيداً، وفي كثير من الحالات، رسوم ترخيص باهظة للشركات التي حصلت على براءة اختراع للتكنولوجيا.

وهذا يعني أنه على الأقل في السنوات القليلة القادمة، سنرى هذه التقنية بشكل رئيسي في الطرازات المتميزة أو المتوسطة العالية.، حتى تسمح اقتصاديات الحجم وانتهاء صلاحية بعض براءات الاختراع بوصولها في أجهزة أرخص.

وعلاوة على ذلك، يتطلب الإنتاج الضخم الوصول إلى مواد عالية النقاء وتقنيات النانو المتقدمة، مما قد يحد مؤقتًا من العرض ويجعل المنتج النهائي أكثر تكلفة.

ومع ذلك، فإن الاتجاه واضح: الطلب من المستخدمين والعلامات التجارية سوف يؤدي تدريجيا إلى خفض التكاليف وزيادة حضورها في السوق العالمية.

تجربة المستخدم: كيف ستغير حياة المستهلكين اليومية

إن ما يهم في النهاية هو كيفية تحسين حياة المستخدم العادي. إن مزايا بطاريات السيليكون والكربون تؤثر بشكل مباشر على استخدامها الأكثر راحة وخالية من الهموم وكفاءة:

• استمر لفترة أطول دون شحن هاتفك: انسى البحث المستمر عن المنافذ أو حمل بنوك الطاقة في كل مكان.
• أجهزة أرق وأخف وزناً وأكثر قوة:حرية تصميم أكبر للمصنعين، الذين سيتمكنون من إطلاق هواتف قابلة للطي، أو رقيقة للغاية، أو هواتف محمولة مع وحدات إضافية دون المساس بعمر البطارية.
• شحن فائق السرعة: استراحة لشرب القهوة وسيتم شحن هاتفك بالكامل أو تقريبًا.
• عمر خدمة أطول: مكالمات خدمة أقل ونفايات تكنولوجية أقل، مما يساعد البيئة أيضًا.
• المزيد من الأمان: خطر أقل لارتفاع درجة الحرارة، انفجارات أو أضرار غير متوقعة.
• أداء أفضل للاستخدام المكثف: سواء كنت تلعب الألعاب أو تعمل أو تصنع مقاطع فيديو، فإن البطارية ستواكبك، وليس العكس.

وعلاوة على ذلك، فإن الابتكار في السيليكون والكربون يفتح الباب أمام تطبيقات جديدة في مجال أتمتة المنزل، والسيارات، والأجهزة القابلة للارتداء، وبالطبع، الانتقال إلى التنقل الكهربائي.

ويمثل وصول بطاريات السيليكون والكربون قفزة نوعية في تطور تكنولوجيا الهاتف المحمول والإلكترونيات الاستهلاكية. وبعيدًا عن الأرقام والتفاصيل الفنية، فإن تأثيرها الحقيقي يكمن في تقديم استقلالية مثيرة للإعجاب، وشحن فائق السرعة، وتجربة أكثر أمانًا وطويلة الأمد. ويتنافس كبار المصنعين بالفعل على قيادة هذا العصر الجديد، وسيتمكن المستخدمون قريبًا من الاستمتاع بهواتف محمولة أكثر قدرة ومتانة وجاهزة لتحديات المستقبل الرقمي.