الطاقة
ملح صخري غير منظم: كيف أدى معالجة حركة الأكسجين إلى اختراق في تقنية البطاريات
الطلب على البطاريات يتزايد عالميًا، مدفوعًا بزيادة استخدامها في صناعة السيارات، والشعبية المتزايدة للإلكترونيات الاستهلاكية المحمولة، واللوائح البيئية الصارمة. نتيجةً لذلك، من المتوقع أن يصل حجم سوق البطاريات العالمي إلى $800bln بحلول عام 2036، مرتفعًا من حوالي $120bln في عام 2023.
في ظل هذا النمو المتوقع، يواصل الباحثون تطوير واختبار مواد وكيميائيات جديدة لتحسين الأجزاء الحيوية للبطاريات، التي تؤثر على خصائص مثل إنتاج الطاقة، وتخزين الطاقة، وسعة القدرة، وسعة الدورة.
تشمل هذه المكونات القطب الموجب (الكاثود)، والقطب السالب (الأنود)، والإلكتروليت (لنقل الأيونات بين الأقطاب)، والفاصل.
تعتمد معظم الأجهزة التي تعمل بالبطاريات اليوم، مثل السيارات الكهربائية، والهواتف الذكية، وأنظمة تخزين الطاقة، على تقنية بطاريات الليثيوم أيون. يمكن لبطاريات الليثيوم أيون تخزين كمية هائلة من الطاقة بأحجام مدمجة، وشحن سريع، وعمر طويل.
ومع ذلك، ومع تزايد الطلب على بطاريات ذات قدرات أكبر، يتم البحث وتطوير تقنيات جديدة لتحسين الكفاءة، خفض التكلفة، تعزيز السلامة، وتعزيز الاستدامة.
على مر السنين، أدى البحث المستمر إلى تقدمات تقدم بدائل واعدة لبطاريات الليثيوم أيون والرصاص الحمضية.
توفر بطاريات الصوديوم أيون خيارًا أكثر تكلفة وأمانًا ويعمل بشكل أفضل في درجات حرارة منخفضة. هذه البطاريات مشابهة لبطاريات الليثيوم أيون لكنها تستخدم ماء مملح كإلكتروليت، مما يجعلها أكثر ملاءمة لتخزين الطاقة، رغم أنها لم تُحسن بعد. يستخدم الباحثون أيضًا جلًا إلكتروليتيًا لجعل الأسلاك النانوية أكثر مقاومة ومناسبة للاستخدام في البطاريات.
البطاريات الصلبة، من ناحية أخرى، تستخدم إلكتروليت صلب مثل الزجاج أو السيراميك أو البوليمر بدلاً من الجل أو الإلكتروليت السائل. هذه البطاريات أكثر كفاءة بكثير، أخف وزنًا، تشحن أسرع، وتُستخدم بالفعل في الهواتف الذكية وأجهزة تنظيم ضربات القلب. تعمل تويوتا وبي إم دبليو حاليًا على إطلاق سيارات تعمل ببطاريات صلبة، رغم أن ذلك سيستغرق بضع سنوات.
تشمل تقنيات البطاريات الجديدة أيضًا بطاريات الليثيوم-كبريت، التي تكون فعّالة من حيث التكلفة لكنها تعاني من قيود في المتانة، وبطاريات الليثيوم أيون الخالية من الكوبالت، التي يمكن أن تساعد في معالجة مخاوف حقوق الإنسان في تعدين الكوبالت. ومع ذلك، لا تزال بدائل مثل TAQ جديدة وتحتاج إلى مزيد من الاختبار.
يتم أيضًا استكشاف بطاريات الزنك، مع تقنيات تشمل بطاريات الزنك-ثنائي أكسيد المنغنيز، وزنك-هوائي، وزنك-برومين، وزنك-أيون. ومع ذلك، فهي غير فعّالة، وتشتمل أحيانًا على تفاعلات تحويل كيميائية غير متوقعة، وتكلفتها مرتفعة في التصنيع، مما يتطلب مزيدًا من البحث.
مع اعتماد العالم المتزايد على البطاريات، يركز العلماء عالميًاعلى تحقيق اختراقات في أوقات التخزين، وإنتاج الطاقة، وتكاليف الإنتاج، والاستعداد الفوري.
أحدث اختراق في البطاريات: أقطاب صخرية-ملحية بوليانيونية
أجرت أبحاث جديدة تقدمًا في زيادة كثافة الطاقة العملية للبطارية. نُشرت في مجلة Nature Energy في أواخر الشهر الماضي، الدراسة بعنوان “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling”، أجرتها إدارة العلوم النووية والهندسة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
تركز الدراسة على مادة كاثود جديدة موجودة في صخر ملحي غير منظم، والتي تم دراستها كمادة كاثود متقدمة للاستخدام في بطاريات الليثيوم أيون لأكثر من عقد من الزمن.
تأكد الباحثون في MIT من أن المادة يمكنها توفير تخزين عالي الطاقة ومنخفض التكلفة للسيارات الكهربائية، والهواتف المحمولة، وتخزين الطاقة المتجددة.
بقيادة جو لي، أستاذ الهندسة النووية في شركة طوكيو للكهرباء، اكتشف الفريق مادة DRXPS، أو السبينيل غير المنظم من صخر ملحي بوليانيوني، كمادة جديدة.
هذه الفئة الجديدة من أقطاب صخرية غير منظمة جزئيًا، المدمجة مع بوليانيونات، تُظهر قدرة على توفير كثافة طاقة عالية عند فولتية مرتفعة مع استقرار دورة محسّن. هذا إنجاز عظيم، نظرًا لأن هناك عادةً مقايضة بين كثافة الطاقة واستقرار الدورة في مواد الكاثود.
“من خلال هذا العمل، نهدف إلى دفع الحدود من خلال تصميم كيميائيات كاثود جديدة.”
– ييمينغ هوانغ، المؤلف الأول للورقة، باحث ما بعد الدكتوراه في NSE
الآن، كيف تستطيع عائلة المادة الجديدة تحقيق كل من كثافة الطاقة العالية والاستقرار الجيد للدورة؟ الجواب يكمن في دمج مادتين رئيسيتين للكاثود — الصخر الملحي والبوليانيون الأوليفين. من خلال دمجهما، تم الحصول على فوائد كل منهما.
شيء آخر يلعب دورًا هنا هو المنغنيز (Mn)، معدن صلب فضي اللون يتوفر بوفرة على الأرض وأرخص بكثير من العناصر الأخرى المستخدمة حاليًا في أقطاب اليوم.
على سبيل المثال، المنغنيز يكلف حوالي ثلاثين مرة أقل من الكوبالت (Co) وخمس مرات أقل من النيكل (Ni)، وكلاهما يُستخدم عادةً في البطاريات. بالإضافة إلى ذلك، يلعب المنغنيز دورًا حاسمًا في تحقيق كثافات طاقة أعلى.
“(وجود مادة كهذه) أكثر وفرة على الأرض هو ميزة هائلة.”
– لي، أستاذ علوم المواد والهندسة
هذه الميزة، وفقًا للباحثين، ذات قيمة كبيرة لمستقبل خالٍ من الكربون يتطلب بنية تحتية للطاقة المتجددة.
يمكن للبطاريات أن تلعب دورًا مهمًا في هذا التحول، مع إمكانية تقليل انبعاثات الكربون في النقل عبر السيارات الكهربائية ومعالجة تقلبات الطاقة الشمسية والريحية. نظرًا لأن مصادر الطاقة المتجددة هذه غير متاحة على مدار 24/7، فإن تخزين الطاقة ضروري لتوفير الطاقة خلال الفترات التي لا تكون فيها هذه المصادر متاحة، مثل الليل أو الأيام الغائمة والهادئة.
يشير الباحثون أيضًا إلى أن مواد مثل الكوبالت والنيكل نادرة نسبيًا ومكلفة. إن استخدامهما لتوسيع سعة التخزين الكهربائي بسرعة قد يؤدي إلى ارتفاع كبير في التكاليف وربما نقص كبير في المواد. وفقًا للي:
“إذا أردنا تحقيق كهربة حقيقية لتوليد الطاقة، والنقل، وأكثر من ذلك، نحتاج إلى بطاريات وفيرة على الأرض لتخزين الطاقة المتقطعة من الألواح الشمسية وطاقة الرياح. أعتقد أن هذه إحدى الخطوات نحو ذلك الحلم.”
تجاوز عائق حركة الأكسجين في المواد الحالية
ممولًا من قبل معهد هوندا للبحوث في الولايات المتحدة وشركة موليكولار فاوندرى في مختبر لورنس بيركلي الوطني، تناولت الدراسة أحد التحديات الرئيسية التي تواجه أقطاب صخرية غير منظمة.
كما ذُكر سابقًا، تم دراسة المادة لقدرتها العالية للغاية. مقارنةً بمواد الكاثود التقليدية التي تتراوح سعتها بين 190 و200 ملي أمبير-ساعة لكل غرام، تتفوق هذه المادة بقدرة تصل إلى 350 ملي أمبير-ساعة لكل غرام.
ومع ذلك، على الرغم من تقديمها سعة عالية جدًا، فإن المادة ليست مستقرة كثيرًا. هذا يرجع جزئيًا إلى أكسدة الأكسجين، وهي عملية استغلال كثافة الإلكترونات القريبة من ذرات الأكسجين في مواد الكاثود.
يتم تنشيط أكسدة الأكسجين عندما يُشحن الكاثود إلى فولتية عالية، مما يجعل الأكسجين متحركًا، ثم يؤدي إلى تفاعلات مع الإلكتروليت وتدهور المادة. وهذا يجعل المادة غير صالحة بعد دورات طويلة.
لتجاوز هذه التحديات، أدخل الباحثون عنصرًا آخر إلى المادة: الفسفور (P)، وهو صلب ناعم شمعي يعمل كغراء، يحافظ على الأكسجين في مكانه ويقلل من تدهور المادة.
لكن مجرد إضافة الفسفور ليست كافية في حد ذاتها. إن الكمية المناسبة من الفسفور هي الابتكار الأكثر أهمية هنا. إضافة الكمية المناسبة من الفسفور “تكوّن ما يُسمى بوليانيونات مع ذرات الأكسجين المجاورة داخل بنية صخر ملحي ناقص الكاتيونات يمكنها تثبيتها”، كما صرح لي.
الرابطة التساهمية القوية بين الأكسجين والفسفور تمكّن الباحثين من إنهاء نقل الأكسجين. بهذه الطريقة، تمكنوا من الاستفادة من السعة التي يساهم بها الأكسجين وفي الوقت نفسه تحقيق استقرار جيد.
امتلاك هذه القدرة على شحن البطاريات إلى فولتية أعلى مهم لأنه يسمح بأنظمة أبسط لإدارة الطاقة المخزنة.
“يمكنك القول إن جودة الطاقة أعلى. كلما ارتفعت الفولتية لكل خلية، قلّ الحاجة إلى ربطها على التوالي في حزمة البطارية، وبالتالي يصبح نظام إدارة البطارية أبسط.”
– لي
هذه الدراسة مجرد البداية، حيث سيستكشف الفريق الآن نسب مختلفة من المنغنيز، الليثيوم، الأكسجين، والفسفور، بالإضافة إلى تركيبات مختلفة من عناصر أخرى تُكوّن بوليانيونات مثل السيليكون، الكبريت، والبورون.
في المستقبل، سيبحث الباحثون أيضًا عن طرق جديدة لتصنيع المادة، مع تركيز خاص على القابلية للتوسع والتماثل. تستخدم الدراسة الحالية الطحن الكروي عالي الطاقة للتصنيع الميكانيكي، مما ينتج تماثل غير موحد وجسيمات بحجم حوالي 150 نانومتر، وهو متوسط صغير. علاوةً على ذلك، طريقتهم الحالية ليست قابلة للتوسع فعليًا.
لذلك، يجرب الباحثون الآن طرق تخليق بديلة لتحقيق تماثل أكثر توحيدًا وجسيمات أكبر حجمًا. سيساعد ذلك على زيادة كثافة الطاقة الحجمية للمادة وقد يتيح لهم تجربة بعض طرق الطلاء التي قد تحسن أداء البطارية. يجب أن تكون الطرق المستقبلية قابلة للتصنيع على نطاق صناعي.
مشكلة أخرى هي التوصيلية، التي تم تعزيزها بإضافة كمية كبيرة من الكربون إلى مادة الصخر الملحي غير المنظم. في الواقع، يشكل الكربون 20٪ من وزن معجون الكاثود، حيث إن المادة نفسها ليست موصلًا جيدًا.
وبالطبع، سيواصل الباحثون البحث في تقليل محتوى الكربون في القطب. إذا تمكنوا من تحقيق ذلك دون التضحية بأداء البطارية، يمكنهم زيادة كثافة الطاقة العملية عن طريق دمج محتوى أعلى من المادة النشطة في البطارية.
لهذا الغرض، يفكرون في استخدام أنابيب الكربون النانوية، التي قد تقلل محتوى الكربون إلى واحد أو اثنين بالمئة فقط من الوزن، مما يسمح بزيادة كبيرة في مادة الكاثود النشطة. ومع ذلك، استخدمت الدراسة الحالية Super P، وهو كربون موصل مكوّن من كرات نانوية، وهو أقل كفاءة.
تحسين آخر يتضمن استخدام أقطاب سميكة، مما سيزيد من كثافة الطاقة العملية للبطارية.
بمجرد أن يقوم الفريق بتحسين تركيبة المادة، وتطوير أقطاب سميكة، وتحقيق تماثل أفضل للطبقات الموحدة، وخفض محتوى الكربون، واعتماد طرق تخليق قابلة للتوسع، يرون عائلة أقطاب DRXPS واعدة للغاية لتطبيقات السيارات الكهربائية، وتخزين الشبكة، والإلكترونيات الاستهلاكية.
الشركات المتقدمة في مجال البطاريات
تساهم العديد من الشركات في تقدم المجال، وحتى المزيد سيستفيد من هذه التطورات.
شركة أوميكور (UMICY) هي إحدى الشركات المشاركة في مواد البطاريات، خصوصًا في تقنيات الكاثود، مع تركيز على المواد المستدامة والمتقدمة. في الوقت نفسه، شركة ليثيوم أميركا (LAC) هي مورد للليثيوم، وفالي (VALE) هي منتج عالمي رائد للحديد والمنغنيز. الآن، لنلق نظرة على بعض الأسماء البارزة الأخرى:
#1. Albemarle Corporation (ALB)
منتج رئيسي للليثيوم, Albemarle، يطوّر تقنيات بطاريات ذات كثافة طاقة مرتفعة لتقليل الوزن وزيادة المدى. إنها واحدة من أكبر منتجي الليثيوم لبطاريات السيارات الكهربائية. تشمل عروض الشركة لتلبية الطلب على الطاقة النظيفة حلول الكاثود، حلول الأنود، حلول الإلكتروليت، وحافظات البطاريات.
(ALB )
بقيمة سوقية تبلغ 9.84 مليار دولار، يتداول سهم Albemarle حاليًا عند 83.66 دولار، بانخفاض 41.6% منذ بداية العام. لديه ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة -4.73، نسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) بقيمة -17.67، وعائد توزيعات بنسبة 1.94٪. في الربع الثاني من 2024، قامت الشركة بتسجيل صافي مبيعات بقيمة 1.4 مليار دولار وإيرادات EBITDA معدلة بقيمة 386 مليون دولار. بينما كان النقد من العمليات 363 مليون دولار، بارتفاع عن 289 مليون دولار مقارنة بالعام السابق. كما قدمت Albemarle أكثر من 150 مليون دولار من فوائد الإنتاجية.
#2. QuantumScape (QS)
QuantumScape هي مطور لبطاريات الليثيوم-معدن الصلبة، تهدف إلى تحويل تخزين الطاقة. طورت الشركة أول تصميم خلية بدون أنود في الصناعة، مما يقلل من تكاليف المواد ويقدم كثافة طاقة عالية. هذا العام، قامت QuantumScape بشراكة مع شركة بطاريات فولكسفاجن، PowerCo، ومنحتها ترخيصًا لإنتاج خلايا بطارية على نطاق واسع بناءً على منصة تكنولوجيا QuantumScape.
(QS )
بقيمة سوقية تبلغ 2.75 مليار دولار، يتداول سهم QuantumScape حاليًا عند 5.51 دولار، بانخفاض 19.78% منذ بداية العام. لديه ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة -0.95 ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) بقيمة -5.78. في الربع الثاني من 2024، سجلت الشركة نفقات رأس مال بقيمة 18.9 مليون دولار، بينما كانت المصاريف التشغيلية وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا 134.5 مليون دولار. بلغت السيولة 938 مليون دولار في نهاية الربع.
الخلاصة
نظرًا للاستخدام الواسع وحجم سوق البطاريات، يتم البحث وتطوير تقنيات بطاريات جديدة ومتقدمة بشكل مكثف. كما رأينا في الدراسة الأخيرة، أظهرت مادة الكاثود الجديدة “كثافات طاقة وزن عالية فوق 1,100 واط·ساعة·كغ⁻¹ وأكثر من 70٪ احتفاظ بعد 100 دورة”، مما يفتح الباب أمام أقطاب بطاريات مصنوعة من عناصر وفيرة على الأرض مثل المنغنيز (Mn) والحديد (Fe).
نظرًا لأن بطاريات الليثيوم أيون تُعتبر جزءًا حيويًا من التحول إلى الطاقة النظيفة، فإن دراسات مثل هذه تضمن استمرار نموها وخفض أسعارها من خلال تطوير “مواد كاثود غير مكلفة وعالية الأداء”.
هذا يشير إلى مستقبل واعد لتخزين الطاقة، مع القدرة على تلبية الطلب العالمي المتزايد مع تقليل الأثر البيئي.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشرة أسهم بطاريات للاستثمار فيها.
