الطاقة
اختراق في البطاريات يقرب الأنواع الصلبة خطوةً من الواقع
بطاريات الحالة الصلبة لتحقيق هيمنة السيارات الكهربائية
في حين أصبحت بطاريات الليثيوم أيون الحل السائد لأنظمة بطاريات السيارات الكهربائية، إلا أنها تعاني من بعض القيود.
إحدى هذه القيود هي الكثافة الطاقية غير المثالية، وأخرى هي مشكلة السلامة المرتبطة بنمو التشعبات التي تخترق البطارية وقد يتسبب الإلكتروليت أحيانًا في حدوث حريق.
المصدر: Nobel Prize
من المتوقع أن يتم التخفيف من كلا المشكلتين باستخدام بطاريات الحالة الصلبة، التي تلغي الحاجة إلى الإلكتروليتات وتقلل خطر التشعبات.
تويوتا تتوقع استخدام هذه البطاريات الصلبة بحلول عام 2027، وعلى العموم يبدو أنها مرشح قوي لمستقبل التنقل.
مع ذلك، لا يزال هناك مشكلة مستمرة، لا سيما مع الإلكتروليت الصلب من نوع الجارنت، المعروف أيضًا باسم Li7La3Zr2O12 أو LLZO (انظر أدناه).
ومن الجيد أن أربعة باحثين من جامعة ماكغيل في كندا أعلنوا أنهم صمموا LLZO جديدًا يمكنه توفير طاقة أكبر. نشروا نتائجهم في مجلة Cell Reports Physical Science في ورقة بعنوان “بطاريات ليثيوم-معدن ذات 4.8 فولت بالكامل ومبنية على الجارنت مع واجهة مستقرة“.
الإلكتروليت الصلب
LLZO
عادةً ما يُقال إن بطاريات الحالة الصلبة لا تحتاج إلى إلكتروليتات. وهذا صحيح من الناحية التقنية عندما نشير إلى الإلكتروليت السائل المستخدم عادةً في بطاريات الليثيوم أيون.
لكن بالطبع، أي بطارية لا تزال تحتاج إلى جسر ما بين الأنود والكاثود لتعمل. هناك ثلاثة أنواع من الإلكتروليتات الصلبة (SEs): السيراميك، البوليمر، والإلكتروليتات المركبة (CSEs).
الإلكتروليتات الصلبة المركبة (CSEs) تمزج إلكتروليت البوليمر مع حشوات غير عضوية موصلة أيونيًا مثل Li7La3Zr2O12 (LLZO) لتسهيل نقل أيونات الليثيوم.
بينما تُعد هذه الطريقة مثالية للتشغيل عالي الجهد في البطاريات الكثيفة، إلا أنها تعاني من تلامس ضعيف مع القطب، مما يقلل الكفاءة العامة.
LLZO المسامي
ما اكتشفه الباحثون هو أن LLZO يمكن صُنعه من غشاء سيراميك مسامي، بدلاً من الصفيحة التقليدية. وبمصطلحات أكثر تقنية:
هنا، نصمم إلكتروليتًا مركبًا صلبًا عالي التوصيل وصديق للواجهة مبني على الجارنت، يتألف من إطار مسامي من Li6.1Al0.3La3Zr2O12 مكعب وpolyvinylidene difluoride (PVDF) بهيكل ثلاثي الأبعاد مستمر.
بصريًا، يتحول ذلك إلى هيكل ثلاثي الأبعاد معقد مليء بفتحات صغيرة على المستوى المجهري:
المصدر: Cell
هذا يخلق مساحة سطحية كبيرة لأيون الليثيوم، مع الحفاظ على التماسك القوي مع القطب.
المصدر: Cell
بطاريات أكثر استقرارًا ومتانة
بطاريات الحالة الصلبة عمومًا أقوى بكثير وأكثر كثافة طاقة من بطاريات الليثيوم أيون. لكنها صعبة التصنيع على نطاق واسع بحيث يمكنها الصمود لعدد كبير من دورات الشحن والتفريغ دون فقدان السعة.
لذلك اختبر الباحثون البطاريات لمعرفة ما إذا كانت الواجهة التي أنشأوها للقطب قوية كما توقعوا.
بعد 200 دورة، درسوا البطارية تحت المجهر ولم يجدوا أي أثر للتدهور مثل التشققات أو الانفصال أو غير ذلك.
المصدر: Cell
بشكل عام، يُظهر نموذج البطارية مقاومة ممتازة، خاصةً ضد تكوّن التشعبات.
الخلايا المتناظرة Li-Li المستندة إلى CSE السيراميكي يمكنها العمل بثبات لمدة 1,000 ساعة عند 0.1 و0.5 mA cm−2، مما يدل على استقرار كيميائي كهربائي ممتاز ضد معدن الليثيوم وحتى ترسيب أيون Li+ (قمع التشعبات).
ملف أمان أفضل
إن الانخفاض الكبير في تكوّن التشعبات، بالإضافة إلى غياب الإلكتروليتات القابلة للاشتعال، سيساعد على زيادة أمان بطاريات الليثيوم بشكل كبير.
نظرًا لأن سمك CSE السيراميكي لا يتجاوز 125 ميكرومتر، فإن ذلك يجعل هذه التقنية تنافسية جدًا لإنشاء بطاريات صلبة ذات كثافة طاقة عالية.
ومن الجدير بالذكر أنه رغم عدم بساطتها، فإن التقنية المستخدمة لإنشاء LLZO المحسّن لا تتطلب معادن نادرة أو آلات نادرة أو خطوات معقدة خارجة عن المعتاد في تصنيع البطاريات.
المصدر: Cell
وبالتالي، يبدو أن هذه خطوة مهمة في تعزيز خصائص بطاريات الحالة الصلبة في جميع الجوانب المهمة: الاستقرار، السلامة، كثافة الطاقة، وسهولة الإنتاج.
هل تنتصر بطاريات الحالة الصلبة؟
ليس من المؤكد أن بطاريات الحالة الصلبة ستصبح المعيار الجديد لبطاريات السيارات الكهربائية في السنوات القادمة.
قد تتمكن بطاريات الليثيوم أيون من المنافسة أيضًا. ويرتبط ذلك أساسًا بتحسين التصميم، حيث تساعد المسام النانوية المشابهة في تقليل تكوّن التشعبات.
وبشكل ملحوظ، قد تصل بطاريات خلية النحل التي طورتها الشركة الرائدة عالميًا في تصنيع البطاريات CATL إلى ملف أمان وكثافة طاقة مشابهة لبعض بطاريات الحالة الصلبة.
بشكل عام، يبدو أن الفهم الأعمق لمواد البطارية، خاصةً على المستوى الميكرو والنانو، واستخدام المسام النانوية سيكون الطريق للمضي قدمًا في تحسين أداء البطاريات وإزالة خطر التشعبات نهائيًا.
الاستثمار في تقنيات البطاريات
لقد غيرت بطاريات الليثيوم العالم عدة مرات، من تمكين الناس من حمل الإلكترونيات المتقدمة في كل مكان إلى تشغيل السيارات بالكهرباء فقط.
قد تكرر ذلك مرة أخرى، أو قد تفعل أنواع أخرى من البطاريات، من خلال تمكين شبكة طاقة متجددة بنسبة 100% أو تمكين كهرباء الطائرات عند الوصول إلى كثافة طاقة كافية.
يمكنك الاستثمار في الشركات المتعلقة بالبطاريات عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية، كندا، أستراليا، المملكة المتحدة، وكذلك العديد من الدول الأخرى.
إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات بطاريات محددة، يمكنك أيضًا النظر في صناديق المؤشرات المتداولة (ETF) المتخصصة مثل Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)، وصندوق Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT)، أو WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF، والتي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من نمو صناعة البطاريات.
شركات الحالة الصلبة
(QS )
من المتوقع منذ زمن طويل أن تكون واحدة من أولى الشركات التي تجلب بطاريات الحالة الصلبة إلى السوق، وقد كانت QuantumScape في طليعة تطوير هذه التقنية.
تستخدم بطاريات QuantumScape معدن الليثيوم، بطاريات خالية من الأنود.
بدلاً من ذلك، تخزن البطاريات الخالية من الأنود الأيونات في ترسيب كيميائي كهربائي لمعدن القلوي مباشرة على المجمع الحالي. وهذا يسمح بجهد خلية أعلى، تكلفة خلية أقل، وزيادة كثافة الطاقة.
المصدر: QuantumScape
(ناقشنا أيضًا مفهوم البطاريات الخالية من الأنود في سياق بطاريات الصوديوم في “بطاريات الصوديوم الصلبة الخالية من الأنود قد تقلل الاعتماد على “مثلث الليثيوم””).
مع ذلك، قامت QuantumScape بتأخير تاريخ الإنتاج الضخم المتوقع لبطارياتها بانتظام، مما خفّض الحماس الأولي للمستثمرين في الشركة.
قد يتغير ذلك مع بعض التطورات الرئيسية في عامي 2023 و2024:
- تحسين في اتساق وجودة الإنتاج.
- تحسين في تصميم التغليف، بما في ذلك هوامش داخلية أضيق، وجمعات حالية أرق، وإطار أنحف.
- شحن خلايا وحدة ذات تحميل عالي للكاتود إلى شركاء OEM (مصنّعي المعدات الأصلية) في قطاع السيارات.
- الإعلان عن إطلاق QSE-5، أول منتج تجاري للشركة، مع عميل إطلاق محتمل في قطاع السيارات.
بشكل عام، يبدو أن QuantumScape هي الشركة الأكثر تقدمًا في مجال بطاريات الحالة الصلبة، خاصةً عندما يتعلق الأمر بمتانة البطارية.
المصدر: QuantumScape
الاتفاق مع فولكس فاجن
الأهم من ذلك، تُظهر الشركة تقدمًا حقيقيًا في إبرام شراكة مع فولكس فاجن، ثاني أكبر صانع سيارات في العالم.
في يوليو 2024، وقعت QuantumScape مع فولكس فاجن اتفاقية للتعاون في تصنيع خلايا البطارية بناءً على تصميم QSE-5.
سيسمح الترخيص لشركة PowerCo بتصنيع وبيع بطاريات السيارات حتى 40 جيجاواط ساعي سنويًا، مع إمكانية توسيعها بمقدار 40 جيجاواط ساعي إضافية.
هذا ترخيص غير حصري، يحمل حقوق ملكية، مما يسمح لـ QuantumScape بالاستمرار في البيع لأي عميل محتمل آخر.
قد يكون أكثر أهمية لتخفيف قلق المستثمرين بشأن الشركة، أنه سيمنح أيضًا رسوم ملكية أولية بقيمة 130 مليون دولار، تُخصم من الرسوم المستقبلية، يدفعها PowerCo، الشركة الفرعية للبطاريات التابعة لفولكس فاجن.
هذا يمنح الشركة مسارًا نقديًا إضافيًا لمدة 18 شهرًا مقارنةً بالتوجيه السابق، مما يمتد حتى عام 2028 الآن.
يجب أن يكون ذلك أكثر من كافٍ لتسريع الإنتاج والبدء في تسجيل إيرادات ثابتة.
لذا طالما أن بطاريات QuantumScape تؤدي بشكل ملائم، ينبغي أن تتمكن من العثور على مكانها في السوق إلى جانب البطاريات التي تصنعها شركات أكبر مثل CATL وBYD وPanasonic.
نظرًا لأن فولكس فاجن ربما اختبرت نماذج QuantumScape الخاصة بها بشكل مكثف ودرست عملية رفع الإنتاج، يبدو أن الاتفاق الأخير يُعد تأييدًا قويًا لتقنية الشركة.
المصدر: QuantumScape
بالإضافة إلى ذلك، يبدو أن الموعد النهائي المتوازي لتويوتا في عام 2027 لتسويق بطاريات الحالة الصلبة يشير إلى أنه بعد العديد من البدايات الكاذبة، أصبحت التقنية الآن تصل إلى مرحلة النضج الكافي.
