التفكير في البطارية المثالية.. يكتشف الذكاء الاصطناعي بدائل واعدة لبطاريات الليثيوم.

في خطوة علمية قد تعيد تشكيل مستقبل قطاع الطاقة، نجح الباحثون من معهد نيوجيرسي للتقنية (NJIT) في استخدام الذكاء الاصطناعي لاكتشاف بدائل فعالة ومستدامة لبطاريات الليثيوم-أيون، التي تواجه تحديات في سلاسل الإمداد العالمية وقضايا تتعلق بالاستدامة.وقد نُشرت نتائج هذا الإنجاز في مجلة (Cell Reports Physical Science)، وأظهر الفريق بقيادة البروفيسور ديباكار داتا، أن الذكاء الاصطناعي التوليدي يمكنه تسريع عملية اكتشاف مواد جديدة تمامًا، تُعدّ مثالية لاستخدامها في بطاريات الأيونات المتعددة التكافؤ. وتتميز هذه البطاريات باستخدام عناصر متوفرة بكثرة مثل: المغنيسيوم، والكالسيوم، والألمنيوم، والزنك، مما يجعلها بديلًا اقتصاديًا وصديقًا للبيئة مقارنة ببطاريات الليثيوم الحالية.

جوهر المشكلة يكمن في تحديات بطاريات الليثيوم وضرورة وجود بدائل لها.

تعتمد البنية التحتية للطاقة الحديثة بشكل كبير على بطاريات الليثيوم، لكنها تواجه تحديات متنامية في مجال الاستدامة، وارتفاع التكاليف، ونقص الإمدادات العالمية لعنصر الليثيوم. من هنا، ظهرت بطاريات الأيونات متعددة التكافؤ كبديل واعد، حيث تعتمد هذه البطاريات على عناصر متوفرة بكثرة في الطبيعة وبتكلفة منخفضة مثل: المغنيسيوم، الكالسيوم، الألمنيوم، والزنك.تتفوق هذه البطاريات في قدرتها على تحمل شحنات كهربائية مضاعفة، حيث يحمل أيون الليثيوم شحنة موجبة واحدة (1+)، بينما تحمل أيونات العناصر متعددة التكافؤ شحنتين (2+) وحتى ثلاث شحنات موجبة (3+). هذه الخاصية تمنحها القدرة النظرية على تخزين طاقة أكبر بكثير ضمن نفس الحجم، مما يجعلها خيارًا مثاليًا لتطبيقات المستقبل التي تتطلب كثافة طاقة عالية.ومع ذلك، تأتي هذه الميزة مع تحدي كبير، حيث يكون حجم الأيونات الكبير وشحنتها العالية عائقًا لحركتها واستيعابها داخل المواد الصلبة للبطارية، مما يعوق تطويرها العملي لسنوات قادمة.

نهج الذكاء الاصطناعي المزدوج يعمل على تسريع عملية الاكتشاف.

للتغلب على هذه العقبة، قام فريق معهد نيوجيرسي للتقنية بتطوير نهج مبتكر يعتمد على نظام ذكاء اصطناعي مزدوج، والذي يتضمن:-

نموذج الترميز التلقائي التبايني لانتشار البلورات (CDVAE): تم تدريب هذا النموذج على قواعد بيانات ضخمة تحتوي على آلاف الهياكل البلورية المعروفة، مما جعله قادرًا على اقتراح هياكل بلورية جديدة وغير مكتشفة سابقًا، مما فتح أفاقًا جديدة للإبداع.-

نموذج لغوي كبير (LLM) مُعدّل بدقة: تم ضبط هذا النموذج بدقة لتقييم الهياكل المقترحة من النموذج السابق، وتحديد تلك التي تتمتع بأعلى درجات الاستقرار الديناميكي الحراري، وهو عامل مهم لتحديد إمكانية تصنيع المادة في المختبر.من خلال الجمع بين قوة الإبداع الخاصة بالنموذج الأول ودقة التقييم الخاصة بالنموذج الثاني، نجح الباحثون في فحص آلاف المواد المحتملة بسرعة كبيرة وبشكل لم يسبق له مثيل، وهو ما كان يتطلب ملايين الساعات من التجارب التقليدية في المختبر.

نتائج استثنائية وآفاق مستقبلية:

تفاوت هذا النهج المتقدم بنتائج ملموسة، حيث أعلن الفريق عن اكتشاف خمس هياكل جديدة تماما من أكاسيد الفلزات الانتقالية المسامية. تتميز هذه المواد بهيكل فريد يحتوي على قنوات داخلية واسعة ومفتوحة، تُعتبر بيئة مثالية لتسهيل حركة الأيونات المتعددة التكافؤ الضخمة بسرعة وأمان. هذا الاكتشاف يحل المشكلة الرئيسية التي كانت تعيق تطوير هذه التقنية.لإثبات قيمة هذه الاكتشافات، فقد قام الفريق بالتأكد من صحة الهياكل المقترحة باستخدام محاكاة ميكانيكا الكم واختبارات الاستقرار الشديدة، التي أكدت أن هذه المواد لا تتمتع بالاستقرار نظريا فقط، بل يمكن تصنيعها واستخدامها في التطبيقات العملية.أكد البروفيسور داتا أن أهمية نهجهم المعتمد على الذكاء الاصطناعي تتجاوز اكتشاف مواد جديدة للبطاريات. إذ يقدم منهجية سريعة وقابلة للتطوير لاستكشاف أي مواد متقدمة في المستقبل، سواء للاستخدام في الإلكترونيات أو الطاقة النظيفة، دون الحاجة للخطأ التجريبي المكثف.يخطط الفريق الآن للخطوة التالية، وهي التعاون مع مختبرات تجريبية متخصصة لتصنيع هذه المواد الجديدة واختبار أدائها العملي. هذا يسهم في تحقيق حلم تطبيق بطاريات الأيونات المتعددة التكافؤ تجاريا أكثر من أي وقت مضى.

تكامل الذكاء الاصطناعي وعلوم المواد:

يمثل هذا التقدم خطوة إستراتيجية نحو مستقبل أكثر استدامة وكفاءة في مجال تخزين الطاقة، بفضل التكامل المتزايد بين الذكاء الاصطناعي وعلوم المواد. وفي ظل تزايد الحاجة العالمية إلى بدائل نظيفة لبطاريات الليثيوم، فإن الاكتشاف الذي توصل إليه فريق معهد نيوجيرسي للتقنية (NJIT) قد يمثل قفزة نوعية في هذا المجال. يثبت هذا الاكتشاف الدور المحوري للذكاء الاصطناعي في تسريع الابتكارات العلمية، التي تعالج التحديات البيئية والاقتصادية الكبرى.