بطاريات الصوديوم الصلبة بدون أنود قد تقلل الاعتماد على “مثلث الليثيوم”

العديد من الطرق لصنع بطارية

يتنافس مصنعو البطاريات على تحسين التكنولوجيا، مدفوعين بنمو سوق السيارات الكهربائية وسوق تخزين الكهرباء على نطاق الشبكة.

إلى جانب بطاريات الليثيوم أيون، يجري تطوير تصاميم وكيميائيات أخرى لمعالجة التكلفة وتوافر المواد ومخاطر السلامة.

المصدر: Research Gate

ومن البدائل بطاريات أيون الصوديوم، التي تستخدم الصوديوم بدلًا من الليثيوم، لكنها غالبًا أقل كثافةً للطاقة.

وبديل آخر هو البطاريات ذات الحالة الصلبة، التي تستخدم إلكتروليتًا صلبًا بدلًا من السائل، ولا تستغني عن الإلكتروليت. وقد تتيح بعض تصاميمها كثافة طاقة أعلى وشحنًا أسرع، لكن ذلك يعتمد على المواد والهندسة.

وتغيّر تصاميم أخرى بنية البطارية نفسها. فالبطاريات «الخالية من الأنود» لا تحتوي عند التجميع على مادة أنود فعالة مُركّبة مسبقًا، ويتكوّن المعدن على مجمّع التيار أثناء الشحن.

ويدرس الباحثون الآن الجمع بين هذه الأفكار، كما في تصميم حديث لبطارية صوديوم ذات حالة صلبة وخالية من مادة أنود مُركّبة مسبقًا.

بطارية الصوديوم الصلبة بدون أنود

نشر باحثون من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو وجامعة شيكاغو دراسة في دورية Nature Energy بعنوان «مبادئ تصميم تتيح بطارية صوديوم خالية من الأنود وصلبة بالكامل». ويجمع التصميم بين الصوديوم والإلكتروليت الصلب وبنية لا تستخدم أنودًا فعالًا مُركّبًا مسبقًا.

بطارية الصوديوم

الصوديوم عنصر واسع الانتشار، يوجد في مياه البحر وفي القشرة الأرضية بوفرة تفوق الليثيوم بكثير. وهذا يجعله خيارًا جذابًا لتقليل الاعتماد على بعض مواد البطاريات مرتفعة التكلفة.

وقد أبرز نمو سوق السيارات الكهربائية تحديات مرتبطة بالليثيوم، منها:

• تقلب الأسعار وتأثير تكلفة المواد في سعر البطارية والسيارة.
• الآثار البيئية لاستخراجه ومعالجته، التي تختلف بحسب المورد والتقنية.
• تركيز إنتاجه ومعالجته في عدد محدود من البلدان، مع دور كبير للصين في التكرير.

قد تخفف وفرة الصوديوم مخاطر نقص المادة الخام، لكنها لا تضمن استقرار أسعار البطاريات أو سلاسل توريد مكوناتها.

وتبقى كثافة الطاقة في كثير من بطاريات الصوديوم أقل من نظيراتها القائمة على الليثيوم، ما يجعلها أكثر جاذبية لبعض السيارات منخفضة التكلفة وتطبيقات التخزين الثابت.

بطارية بدون أنود

في البطارية المعتادة تنتقل الأيونات نحو الأنود أثناء الشحن وتُخزَّن فيه، ثم تعود نحو الكاثود أثناء التفريغ.

أما التصميم الخالي من الأنود المُركّب مسبقًا، فيرسب المعدن القلوي كهروكيميائيًا على مجمّع التيار أثناء الشحن.

وقد يقلل هذا التصميم كتلة بعض المكونات وتكلفتها ويزيد كثافة الطاقة، لكن الجهد والأداء يعتمدان على كيمياء الخلية.

المصدر: University Of Chicago

ومن تحديات هذه البنية تحقيق ترسيب منتظم للمعدن والتلامس الجيد مع مجمّع التيار، مع تجنب التفاعلات الجانبية وفقدان المادة الفعالة.

بطارية صلبة

تحظى البطاريات ذات الحالة الصلبة بالاهتمام، خاصةً للتطبيقات التي تحتاج إلى كثافة طاقة مرتفعة، لكنها ليست حلًا نهائيًا مثبتًا لجميع احتياجات التخزين.

استبدال الإلكتروليت السائل بآخر صلب قد يتيح تصاميم أخف وأكثر كثافة للطاقة. ولا يضمن وحده الشحن أو التفريغ السريع.

ومن التحديات الحفاظ على تلامس جيد بين المكونات مع تمدد المعدن وتغير حجمه خلال دورات الشحن.

كما قد تنمو تفرعات معدنية تسبب قصرًا كهربائيًا. والإلكتروليت الصلب لا يلغي هذا الخطر تلقائيًا.

الصوديوم الصلب بدون أنود

في التصميم الخالي من الأنود، يشكل تحقيق تلامس منتظم بين الإلكتروليت الصلب ومجمّع التيار تحديًا إضافيًا.

استخدم الباحثون مسحوق الألومنيوم لتشكيل مجمّع تيار يمكن ضغطه وتشكيله، بحيث يحافظ على تلامس أفضل مع الإلكتروليت. والألومنيوم هنا مجمّع للتيار، وليس إلكتروليتًا سائلًا.

المصدر: University Of Chicago

العديد من الفوائد

يساعد مجمّع التيار المصنوع من مسحوق الألومنيوم في تحسين تلامس الواجهة وانتظام ترسيب الصوديوم. ولا تعني هذه النتيجة ضمان غياب التفرعات المعدنية في جميع الظروف.

وقد يقلل التلامس المستقر فقدان الصوديوم الذي ينفصل كهربائيًا عن مجمّع التيار، وهو فقدان يؤدي إلى تراجع السعة.

ناقشت الدراسة إمكانات لتصاميم ذات طاقة نوعية في نطاق 200 إلى 400 واط ساعة لكل كيلوجرام. ولا ينبغي اعتبار ذلك مواصفة لحزمة تجارية جاهزة؛ فالنتيجة تعتمد على افتراضات التصميم ومستوى القياس.

المصدر: University Of Chicago

قد تكون هذه القيم منافسة لبعض البطاريات، مع ميزة محتملة في تكلفة المواد. لكن المقارنة مع بطاريات الليثيوم تتطلب النظر إلى عمر الخلية والأمان والكفاءة وإمكان التصنيع، وليس كثافة الطاقة وحدها.

قوة الجمع

تتفاوت مراحل نضج بطاريات الصوديوم والتصاميم الخالية من الأنود والبطاريات الصلبة. فقد وصلت بعض تقنيات الصوديوم إلى منتجات، بينما لا تزال تصاميم أخرى قيد البحث والتطوير.

وتتطور هذه المجالات إلى جانب كيميائيات وتصاميم أخرى ناقشناها في مقالَي «مستقبل تخزين الطاقة: تقنيات البطاريات على نطاق الشبكة» و«مستقبل التنقل: تقنيات البطاريات».

بدأ الباحثون يجمعون مفاهيم مختلفة في تصاميم جديدة، لكن نجاح كل مفهوم منفردًا لا يعني أن الدمج أصبح جاهزًا للتصنيع التجاري.

وقد يساعد الدمج على تخفيف بعض القيود الخاصة بكل تصميم.

في هذا المثال، يستهدف مسحوق الألومنيوم مشكلات التلامس وترسيب الصوديوم في بطارية صلبة خالية من الأنود المُركّب مسبقًا، بدلًا من إثبات حل جميع مشكلات التفرعات المعدنية.

ولا يكفي اختيار مسحوق الألومنيوم وحده لتحديد كثافة الطاقة؛ فهي تتوقف على تصميم الخلية وموادها كلها.

وبالمثل، تتوقف تكلفة البطارية الصلبة على المواد وعمليات التصنيع، وليس على الألومنيوم أو الصوديوم منفردين.

وتوفر وفرة الصوديوم ميزة محتملة في التكلفة، بينما يظل تحسين كثافة الطاقة مهمًا لتطبيقات التنقل.

يمكن إذن أن يجمع التصميم بين مزايا مواد وبنى مختلفة ويخفف بعض قيودها. لكن تحويل النتائج المخبرية إلى بطاريات موثوقة ومنخفضة التكلفة يتطلب مزيدًا من الاختبارات والتطوير.

شركات بطاريات الصوديوم

1. CATL

تعد CATL من أكبر مصنعي البطاريات عالميًا. وقد بلغت حصتها من بطاريات السيارات الكهربائية المركبة عالميًا نحو 36.8٪ في 2023، وليس أكثر من نصف جميع البطاريات في العالم.

ولها حضور كبير في بطاريات الليثيوم أيون، كما أعلنت تطوير أنواع أخرى، منها:

• بطارية لتخزين الطاقة على نطاق الشبكة بعمر مستهدف يبلغ 12,000 دورة، مع هدف أطول أجلًا يبلغ 18,000 دورة بحسب تصريحات الشركة.
• بطارية فوسفات حديد الليثيوم (LFP) أعلنت الشركة أنها قد توفر مدى 700 كيلومتر وتضيف نحو 400 كيلومتر خلال عشر دقائق من الشحن، وفق شروط الاختبار.
• بطارية مكثفة بطاقة نوعية معلنة تبلغ 500 واط ساعة لكل كيلوجرام، تستهدف تطبيقات محتملة منها الطيران الكهربائي.
• جيل معلن من بطاريات أيون الصوديوم بطاقة نوعية 160 واط ساعة لكل كيلوجرام، مع هدف تطويري يبلغ 200 واط ساعة لكل كيلوجرام. ولا يعني الإعلان أن جميع هذه المواصفات متاحة في إنتاج واسع النطاق.

المصدر: CATL

وفي تخزين الكهرباء على نطاق الشبكة، قدمت الشركة نظام TENER، ووصفت أداءه بأنه «أول نظام لتخزين الطاقة قابل للإنتاج الكمي من دون تدهور في القدرة والطاقة خلال السنوات الخمس الأولى من الاستخدام». وهذا ادعاء من الشركة يتعلق بشروط تصميمها واختباراتها، وليس ضمانًا عامًا لكل استخدام.

يقدم النظام سعة 6.25 ميجاواط ساعة في حاوية بطول 20 قدمًا. وتقول CATL إن تقنيات الخلايا والتصنيع وإدارة النظام تستهدف تقليل التدهور ومخاطر الانفلات الحراري. وتظل السلامة والأداء الفعليان مرتبطين بظروف التشغيل.

استثمرت CATL أيضًا في توسيع قدرات إعادة تدوير البطاريات في الصين. وتعلن عن معدلات استرداد تصل إلى 99.6٪ للنيكل والكوبالت والمنغنيز، و91٪ لليثيوم.

ويجعل حجم الشركة واستثماراتها البحثية منها موردًا مهمًا لصناعة السيارات الكهربائية، بما فيها تسلا (TSLA ) وNIO وفورد وستيلانتس، لكن ذلك لا يضمن استمرار تفوقها في جميع تقنيات البطاريات.

2. BYD

أصبحت BYD منافسًا كبيرًا في السيارات الكهربائية، إلى جانب نشاطها الأساسي في البطاريات.

وتطورت من مورد لبطاريات الهواتف إلى مصنع كبير للسيارات الكهربائية والهجينة القابلة للشحن. وتختلف مقارنتها بتسلا بحسب السوق والفترة وما إذا كان القياس يشمل الهجينة أو السيارات الكهربائية بالكامل.

وساعد توسع شركات صينية مثل BYD في جعل الصين أكبر مصدر للسيارات في 2023 متجاوزةً اليابان. كما تدعم مصانع خارجية توسع الشركة، ومنها مشروعها في المجر.

وقد تفتح سيارات منخفضة السعر مثل سيغل أسواقًا أوسع للشركة. لكن سيغل المطروحة في 2024 استخدمت بطارية Blade من فوسفات حديد الليثيوم، وليس بطارية صوديوم.

المصدر: User3204 — عمل شخصي، بترخيص CC BY-SA 4.0، https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

وتعد BYD منافسًا رئيسيًا لـCATL في بطاريات فوسفات حديد الليثيوم. وأرقام الحصص السوقية، مثل 41.1٪ و33.9٪ المذكورتين في النص الأصلي، تتطلب تحديد الفترة ونطاق القياس قبل استخدامها للمقارنة.

وقد تواجه السيارات الكهربائية الصينية منخفضة السعر رسومًا وإجراءات حمائية في بعض الأسواق، ما قد يحد من نمو BYD فيها.

وفي المقابل، تتوسع الشركة في أسواق بأمريكا الجنوبية وآسيا والشرق الأوسط وغيرها. لكن وجود صناعة سيارات محلية ومستوى المنافسة والسياسات التجارية يختلف من بلد إلى آخر.

تمثل هذه المناطق أسواقًا محتملة كبيرة، لكن عدد السكان وحده لا يحدد حجم الطلب، ولا تضمن العلاقات الجيوسياسية غياب القيود التجارية.

وقد يساعد التصنيع المحلي خارج الصين في تحسين القدرة التنافسية والوصول إلى بعض الأسواق. ومع ذلك، يتوقف نجاح المشروعات في أوروبا أو المكسيك أو تركيا وغيرها على التكلفة والطلب والتنظيم وتنفيذ الخطط.