السلف في مجال تكنولوجيات البطاريات الصغيرة من أجل أجهزة الصنع

وقد طور الباحثون في جامعة ستانفورد ] كهرومغناطيسي يحتوي على 90 في المائة من الطاقة بعد 000 1 دورة بمعدلات عالية التكلفة/الإيوت، وبالنسبة لأجهزة التوليد التي تعتمد على عمليات عرضية عالية السرعة - مثل جهاز استشعار لورواغن الذي ينقل البيانات - هذا الأداء قيّم، والتحدي الرئيسي هو رفع مستويات الإنتاج النانوي، مع الاحتفاظ بخطوط الإنتاج.

ثين - فيلم ومايكروبتريرات

وعندما تتقلص أبعاد الأجهزة إلى مستوى المقياس الفرعي، تصبح خلية العملات التقليدية أكثر من اللازم، أما بطاريات الرش، التي تُختلق باستخدام تقنيات الترسيب المكنسة المشابهة لتلك المستخدمة في صنع شبه الموصلات، فهي مجرد عشرات من الميكرومترات، ويمكن إدماج هذه البطاريات مباشرة في رقاقة السيليكون أو في إطار فرعي مرن، وتكون بمثابة إمدادات من أجهزة التحكم في أجهزة الاستشعار الدقيقة، وأجهزة الاستنشاق.

وتنتج الشركات مثل Cymbet و] Infinite Power Solutions] البطاريات ذات الليثيوم الرقيق ذات القدرات تتراوح بين بضعة ساعات من صغار الميكرومتر وساعة من عدة مليارات من البيوت، وهذه البطاريات قابلة للشحن دون أن تكون مواضعاً في دورة.

خلايا الوقود الصغيرة والنظم الهجينة

فالبطاريات ليست المصدر الوحيد للطاقة الصغيرة الجاري تطويرها، إذ أن خلايا الوقود الصغيرة التي تولد الكهرباء عن طريق تأكسد وقود (في كثير من الأحيان الميثانول أو الهيدروجين) على حفاز، توفر كثافة عالية جداً من الطاقة - نظرياً تصل إلى عشر مرات من بطاريات الليثيوم لنفس الوزن، وبالنسبة لتطبيقات التلويث التي يكون فيها الوقود غير عملي، يمكن أن توفر خلية وقودية مستمرة لسنوات تستخدم فيها خراطيش صغير.

وقد أظهرت النماذج الأولية الأخيرة من معهد فرونهور Fraunhofer ] خلايا الوقود الجزئية الصغيرة بما يكفي لتركيبها داخل جهاز استشعار لاسلكي، غير أن التكنولوجيا لا تزال تواجه عقبات في التكلفة، ومناولة الوقود، والكفاءة في الطاقة المنخفضة، وهناك اتجاه مستجد يتمثل في نظم هجينة تجمع بين بطارية صغيرة وخلية وقود أو محصول للطاقة، باستخدام البطارية أكثر من أجل معالجة الذروة.

التحليل المقارن: مقاييس الأداء

ويتطلب اختيار البطارية الصغيرة المناسبة لتطبيقات التأشيرات الفوقية توازناً بين عدة مقاييس رئيسية:

• Energy density (Wh/L or Wh/kg): Solid-state and lithium-metal batteries lead here, often exceeding 600 WhL. Thin-film batteries, by contrast, may offer only 200-300 Wh/L but make up for it with a very low profile.
• Cycle life:] Thin-film and some solid-state batteries can last tens of thousands of cycles, while Li-Po and conventional Li-ion typically last 300-1,000 cycles. For disposable IoT sensors, cycle life is irrelevant; for rechargeable wearable wearables, it is critical.
• Safety:] Solid-state and little-film batteries are inherently safe due to their non-flammable electrolytes. Li-Po batteries require protection circuitry to prevent overcharge and puncture risks.
• Cost per wat-hour:] Traditional Li-Po and Li-ion are the cheapest at scale (under $0.20/Wh). Solid-state and little-film remain expensive (often ⁇ $1/Wh), limiting them to high-value applications like medical implants.
• Form factor flexibility:] Li-Po and printed batteries can be shaped to fit unusual spaces; solid-state cells are currently limited to planar or prismatic geometries.

وبالنسبة للعديد من مصممي الـ (أيوت) فإن البطارية المثالية ليست تكنولوجيا واحدة بل مزيجاً منها، وقد يستخدم جهاز قابل للارتداء خلية صغيرة من طراز (لي بو) لتشغيلها بشكل منتظم، مستكملاً بنسخة احتياطية صغيرة من الدول الصلبة للإبقاء على البيانات الحيوية في أساليب النوم المنخفضة القوة.

التغلب على التحديات المستمرة

ورغم التقدم الملحوظ، تواجه تكنولوجيات البطاريات الصغيرة عقبات عديدة يجب معالجتها قبل أن تتمكن من بلوغ كامل إمكاناتها في أجهزة التوحيد القياسي.

Size vs. Capacity Trade-offs

ويتمثل التحدي الأساسي الأكثر في أن مقاييس تخزين الطاقة ذات الحجم، حيث تتقلص الأجهزة، فإن الحيز المتاح للبطارية يتقلص بسرعة أكبر، وكثيرا ما يواجه مصممو اليو تي الاختيار بين جهاز سليم ذي عمر البطاريات القصيرة أو جهاز أكثر حزماً مع طوله المقبول، ويستكشف الباحثون عن كميات كبيرة من القطط المتطورة وتصميمات خالية من الشظايا من أجل دفع كثافة الطاقة إلى ما يتجاوز ٠٠٠ ١ من العجلات/لتر، ولكن هذه المقاييس لا تزال في المعمل.

السلامة والامتثال التنظيمي

ويجب أن تجتاز البطاريات الصغيرة اختبارات أمان صارمة، لا سيما عندما تستخدم في العصي أو الزرع الطبي الذي يتصل بالجسم البشري، ويمكن أن يؤدي مسارها الحراري، وإن كان نادر في الخلايا الصغيرة، إلى حروق أو حرائق، ويعالج هذا الانتقال إلى الكهرباء في الدول الصلبة، ولكن يجب تحسين غلة التصنيع، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الأنظمة مثل رقم الأمم المتحدة 38-3 (النقل) والرقم القياسي IEC 62133 (التكاليف الزمنية اللازمة للتأخير) يمكن أن تفرض شروط الاختبار.

الأثر البيئي وإعادة التدوير

(ب) أن ملايين البطاريات التي تستخدم فيها مادة إيوت تُنَزع كل سنة، والكثير منها يحتوي على الليثيوم والكوبالت ومواد شحيحة أخرى.() وتجعل عوامل التحلل من المواد قابلة للتحلل، وتكون الخلايا في كثير من الأحيان مدمجة في الأجهزة.() وتشمل الحلول الناشئة التصميمات للتدوير (مثلاً، مراكب البطاريات المطاطية المطاطية) وتطوير الخصي المكعبوطن([Fde(0)

The Path Forward: Emerging Innovations

ويعود العقد المقبل بفتحات تجعل البطاريات الصغيرة أكثر قدرة واستدامة، وتبرز ثلاثة اتجاهات باعتبارها ذات أكبر تأثير ممكن على أجهزة التوحيد القياسي.

Energy Harvesting Integration

وبدلا من الاعتماد على البطارية وحدها، فإن العديد من أجهزة التحلل الضوئي في المستقبل ستجمع خلية تخزين صغيرة مع محصول للطاقة يخنق طاقة مائية من الضوء أو الحرارة أو الاهتزاز أو الأمواج الإذاعية، ويمكن للخلايا الفولطية الضوئية على جهاز قابل للزراعة أن تشحن بطارية ذات دولة صلبة خلال اليوم؛ وتلتقط محصولات الفطائر في الأجهزة الصناعية ذبذبا آليا كهربائيا؛

وتُستخدم البطارية في نظام هجين كهذا كعازف ] للطاقة : وهي تخزن الطاقة المحصولة للاستخدام خلال فترات منخفضة الحصاد وتوفر انفجارات من الطاقة لنقلها اللاسلكي، وتُنتج الشركات مثل - - الآن كميات صغيرة من الطاقة التي تنقل بكفاءة إلى محصول للطاقة.

البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي والمتوافقة مع البيئة

وبالنسبة لأجهزة الإيوت ذات الاستخدام الواحد التي تنشر في البيئة (مثل أجهزة الاستشعار الزراعية، والتغليف الذكي، ومتعقبات الأحياء البرية)، تشكل بطاريات الليثيوم التقليدية تهديدا إيكولوجيا، إن لم يتم جمعها، وتُنتج البطاريات القابلة للتحلل الأحيائي من المواد الطبيعية مثل الخلايا، والبكتين، والزنك، والمغنزيوم، والحل، ثم تعمل هذه البطاريات على نحو لا يُعتد به في حياة الآلام.

ومن الأمثلة البارزة على ذلك البطارية " الورقية التي أعدها باحثون في جامعة ولاية نيويورك (Binghamton)، التي تستخدم طبقة فرعية من الورق المطبوعة وتخفض المياه لتنشط، وتولد البطارية طاقة كافية لمجس غلوكوز أو بطاقة RFID لمدة عدة أيام، ثم تتدهور التكنولوجيا المماثلة في موسم الزراعة.

الصناعة المتقدمة: 3D Printing and Printed Batteries