صخرة ملح غير منظم: كيف أدى معالجة حركة الأكسجين إلى اختراق في تقنية البطارية

تزداد الطلب على البطاريات في جميع أنحاء العالم، مدفوعًا بزيادة استخدامها في صناعة السيارات، وزيادة شعبية الإلكترونيات الاستهلاكية المحمولة، واللوائح البيئية الصارمة. ونتيجة لذلك، تم توقع أن يصل السوق العالمي للبطاريات إلى 800 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2036، مقارنة بـ 120 مليار دولار أمريكي في عام 2023.

في ضوء هذا النمو المتوقع، يطور الباحثون باستمرار ويتجربون مواد وكيماويات جديدة لتحسين المكونات الحرجة للبطاريات، التي تؤثر على الخصائص مثل الإخراج الطاقي، وتخزين الطاقة، وسعة الطاقة، وطاقة الدورة.

تتضمن هذه المكونات كاثود (موجب القطب)، وانود (سالب القطب)، وموصل أيوني (لنقل الأيونات بين القطبين)، ومفصول.

تعتمد معظم الأجهزة التي تعمل بالبطاريات اليوم، مثل السيارات الكهربائية، والهواتف الذكية، ونظم تخزين الطاقة، على تقنية البطارية الليثيوم-أيون. يمكن للبطاريات الليثيوم-أيون تخزين كمية هائلة من الطاقة في أحجام مضغوطة، وشحن سريع، واستمرار طويل.

然而، مع زيادة الطلب على بطاريات ذات قدرات أعلى، تتم أبحاث وتطوير تقنيات جديدة لتحسين الكفاءة، وتخفيض التكلفة، وتعزيز السلامة، وتعزيز الاستدامة.

على مر السنين، أدت الأبحاث المستمرة إلى تقدم يطرح بدائل واعدة للبطاريات الليثيوم-أيون والرصاص-الحمض.

تقدّم بطاريات الأيون الصوديوم خيارًا أكثر经济ية وأمانًا يعمل بشكل أفضل في درجات حرارة أقل. هذه البطاريات مشابهة للبطاريات الليثيوم-أيون ولكنها تستخدم الماء المالح كموصل أيوني، مما يجعلها أكثر ملاءمة لتخزين الطاقة، على الرغم من أنها لم يتم تحسينها بعد. حتى أن الباحثين يستخدمون هلام الموصل الأيوني لجعل الدقائق أكثر متانة وملاءمة للاستخدام في البطاريات.

البطاريات الصلبة الحالة, من ناحية أخرى، تستخدم موصلًا أيونيًا صلبًا مثل الزجاج أو السيراميك أو البوليمر بدلاً من هلام أو سائل موصل أيوني. هذه البطاريات أكثر كفاءة، وتزن أقل، وشحن أسرع، ومنها ما يتم استخدامه بالفعل في الهواتف الذكية وأجهزة الصمّام. تويوتا وبي إم دبليو تعملان حاليًا على إطلاق سيارات تعمل بالبطاريات الصلبة الحالة، على الرغم من أنه سيستغرق بضع سنوات.

تشمل تقنيات البطارية الجديدة أيضًا بطاريات الليثيوم-الكبريت، التي تتميز بتكلفة منخفضة ولكنها محدودة من حيث المتانة، وبطاريات الليثيوم-أيون خالية من الكوبالت، التي يمكن أن تساعد في معالجة مشاكل حقوق الإنسان في تعدين الكوبالت. ومع ذلك، تعد البدائل مثل TAQ جديدة وستحتاج إلى المزيد من الاختبارات.

كما يتم استكشاف بطاريات الزنك، بما في ذلك تقنيات الزنك-أكسيد المنغنيز، والزنك-الهواء، والزنك-البروم، وبطاريات الأيون الزنك. ومع ذلك، هذه البطاريات غير فعالة، أحيانًا تتضمن تفاعلات تحويل كيميائية غير متوقعة، ومكلفة في التصنيع، مما يتطلب المزيد من البحث.

مع زيادة اعتماد العالم على البطاريات، يركز العلماء على مستوى العالم على تحقيق اختراقات في أوقات التخزين، وإخراج الطاقة، وتكلفة الإنتاج، وجاهزية الفور.

آخر اختراق في البطاريات: كاثودات صخرة الملح-البولي أنيون

أدت الأبحاث الجديدة إلى تقدم في زيادة الكثافة الطاقية العملية لبطارية. تم نشر الدراسة في مجلة Nature Energy في أواخر الشهر الماضي، تحت عنوان كاثودات صخرة الملح-البولي أنيون المتكاملة مع الليثيوم الزائد وثبات الدورة، أجريت بواسطة قسم الهندسة النووية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

تركز الدراسة على مادة كاثود جديدة وجدت في صخرة الملح غير المنظمة، التي تم دراستها كمادة كاثود متقدمة للاستخدام في بطاريات الليثيوم-أيون لمدة أكثر من عقد.

أ đảmّن باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن المادة يمكن أن تخلق تخزين طاقة عالي، منخفض التكلفة للسيارات الكهربائية، الهواتف المحمولة، وتخزين الطاقة المتجددة.

بقيادة جو لي، أستاذ شركة طوكيو للكهرباء في الهندسة النووية، اكتشف الفريق DRXPS، أو صخرة الملح-البولي أنيون غير المنظم، كما مادة جديدة.

تعد هذه الفئة الجديدة من كاثودات صخرة الملح غير المنظم، المتكاملة مع البولي أنيون، تتميز بكثافة طاقة عالية عند فولتية عالية مع استقرار دورة محسن. هذا إنجاز كبير، نظرًا لوجود عادةً تبادل بين كثافة الطاقة وثبات الدورة في مواد الكاثود.

“نحن نهدف إلى دفع الحدود من خلال تصميم كيميائيات كاثود جديدة.”

– ييمينغ هوانغ، أول مؤلف للورقة، زميل ما بعد الدكتوراه في NSE

الآن، كيف يمكن لمادة جديدة تحقيق كلاً من كثافة الطاقة العالية وثبات الدورة الجيدة؟ الإجابة تكمن في دمج مادتين كاثوديتين رئيسيتين – صخرة الملح والبولي أنيون.

شيء آخر يلعب دورًا هنا هو المنغنيز (Mn)، معدن صلب ورمادي وجد بكميات كبيرة على الأرض وأقل تكلفة من العناصر الأخرى المستخدمة حاليًا في كاثودات اليوم.

على سبيل المثال، يعد المنغنيز أقل تكلفة ثلاثين مرة من الكوبالت (Co) وأقل تكلفة خمس مرات من النيكل (Ni)، كلاهما مستخدم على نطاق واسع في البطاريات. بالإضافة إلى ذلك، يلعب المنغنيز دورًا حاسمًا في تحقيق كثافات طاقة أعلى.

“أن يكون هذا المواد أكثر وفرة على الأرض ميزة كبيرة”.

– لي، أستاذ علوم المواد والهندسة

تعد هذه الميزة، حسب الباحثين، مهمة قيمة لمستقبل خالي من الكربون الذي يتطلب بنية تحتية للطاقة المتجددة.

يمكن للبطاريات لعب دور مهم في هذه التحول، مع إمكانية تحويل النقل إلى سيارات كهربائية ومعالجة عدم انتظام الطاقة الشمسية والرياح. منذ أن لا تكون مصادر الطاقة المتجددة متاحة على مدار الساعة، تخزين الطاقة ضروري لتوفير الطاقة أثناء الأوقات التي لا تكون فيها هذه المصادر متاحة، مثل الليل أو الأيام الغائمة والهادئة.

يشير الباحثون أيضًا إلى أن المواد مثل الكوبالت والنيكل نادرة ومكلفة. استخدامها لسرعة توسيع سعة التخزين الكهربائي يمكن أن يؤدي إلى زيادات كبيرة في التكاليف ونقص كبير في المواد. حسب لي:

“إذا كنا نريد تحقيق كهربة حقيقية للطاقة، التنقل، والمزيد، نحن بحاجة إلى بطاريات وفرة على الأرض لتخزين الطاقة الشمسية والرياح المتقطعة. أعتقد أن هذا خطوة تoward ذلك الحلم”.

تجاوز عقبة حركة الأكسجين في المواد الحالية

تم تمويل الدراسة من قبل معهد هوندا البحثي الولايات المتحدة الأمريكية ومعمل الجزيئات في مختبر لورنس بيركلي الوطني. تعاملت الدراسة مع واحدة من التحديات الرئيسية التي تواجه كاثودات صخرة الملح غير المنظمة.

كما ذكرنا سابقًا، تم دراسة المادة لإمكاناتها القصوى. مقارنة بمواد الكاثود التقليدية، التي تتمتع بسعة بين 190 و200 ملي أمبير في الساعة لكل غرام، تتمتع هذه المادة بسعة تصل إلى 350 ملي أمبير في الساعة لكل غرام.

然而، على الرغم من تقديمها سعة عالية جدًا، المادة ليست مستقرة جدًا. هذا جزئيًا بسبب أكسدة الأكسجين، عملية استغلال الكثافة الإلكترونية بالقرب من ذرات الأكسجين في مواد الكاثود.

تتم تنشيط أكسدة الأكسجين عند شحن الكاثود بفولتية عالية، جعل الأكسجين قابلًا للحركة، الذي يؤدي بعد ذلك إلى تفاعلات مع الموصل الأيوني وتدهور المادة.

للتغلب على هذه التحديات، قدم الباحثون عنصرًا آخر إلى المادة: الفوسفور (P)، مادة لينة وشمعية تعمل مثل الغراء، تحتفظ بالأكسجين في مكانه وتقلل من تدهور المادة.

لكن إضافة الفوسفور فقط لا تكفي. إنها الكمية المناسبة من الفوسفور هي أكثر الابتكارات أهمية هنا. إضافة كمية صغيرة من الفوسفور “شكلت بولي أنيونات مع ذرات الأكسجين المجاورة في هيكل صخرة الملح الناقص، التي يمكنها تثبيته.

الرابطة التساهمية القوية بين الأكسجين والفوسفور تمكّن الباحثين من إيقاف نقل الأكسجين. بهذه الطريقة، تمكنت من الاستفادة من السعة التي ساهم فيها الأكسجين و في نفس الوقت، تحقيق استقرار جيد.

تعد هذه القدرة على شحن البطاريات بفولتية أعلى مهمة لأنها تسمح بأنظمة أبسط لإدارة الطاقة المخزنة.

“يمكنك القول أن جودة الطاقة أعلى. كلما كانت الفولتية لكل خلية أعلى، زاد عدد الخلايا التي لا تحتاج إلى توصيلها على التوالي في حزمة البطارية، وأبسط نظام إدارة البطارية”.

– لي

تعد هذه الدراسة مجرد البداية، حيث سيستكشف الفريق نسبًا مختلفة من المنغنيز، والليثيوم، والأكسجين، والفوسفور، إضافة إلى مزيج من عناصر البولي أنيون الأخرى مثل السيليكون، والكبريت، والبورون.

في المستقبل، سيبحث الباحثون أيضًا في طرق جديدة لتصنيع المادة، مع التركيز بشكل خاص على القابلية للتوسع والشكل. تستخدم الدراسة الحالية طريقة الطحن الكروي عالي الطاقة لتحضير ميكانيكي كيميائي، التي تؤدي إلى مورفولوجيا غير منتظمة وجسيمات بحجم حوالي 150 نانومتر، متوسط الحجم. بالإضافة إلى ذلك، ليست طريقةهم الحالية قابلة للتوسع.

لذلك، يحاول الباحثون طرق تصنيع بديلة لتحقيق مورفولوجيا أكثر انتظامًا وجسيمات بأحجام أكبر. هذا سيساعد على زيادة كثافة الطاقة الحجمية للمادة ويمكن أن يسمح لهم بمحاولة بعض طرق الطلاء التي قد تحسن أداء البطارية. يجب أن تكون طرق المستقبل قابلة للتوسع على مستوى الصناعة.

هناك مشكلة أخرى هي التوصيلية، التي تم تعزيزها بإضافة كمية كبيرة من الكربون إلى مادة صخرة الملح غير المنظمة. في الواقع، شكل الكربون 20 في المائة من وزن عجينة الكاثود، نظرًا لأن المادة ليست موصلة جيدة بحد ذاتها.

لذلك، سيبحث الباحثون أيضًا في خفض محتوى الكربون في الكاثود. إذا كانوا قادرون على تحقيق ذلك بدون التضحية بأداء البطارية، يمكنهم زيادة كثافة الطاقة العملية من خلال دمج محتوى مادة كاثودية نشطة أعلى في البطارية.

لهذا الغرض، يستخدمون أنابيب الكربون النانوية، التي يمكن أن تقلل من محتوى الكربون إلى واحد أو两个 في المائة من الوزن، مما يسمح بزيادة كبيرة في محتوى المادة الكاثودية النشطة. الدراسة الحالية، ومع ذلك، استخدمت Super P، كربون موصل يتكون من كرات نانوية، التي أقل كفاءة.

تحسين آخر يتضمن استخدام كاثودات سميكة، التي سوف تزيد من كثافة الطاقة العملية للبطارية.

مرة واحدة يحسن الفريق تركيبة المادة، يطور كاثودات أكثر سمكًا، يحقق مورفولوجيا أفضل لطلاء منتظم، يقلل من محتوى الكربون، يتبنى طرقًا قابلة للتوسع، يعدّ عائلة كاثود DRXPS واعدة جدا للتطبيقات في السيارات الكهربائية، وتخزين الشبكة، والإلكترونيات الاستهلاكية.

الشركات المتقدمة في مجال البطاريات

تساهم العديد من الشركات في تقدم هذا المجال، وأكثر منها ستستفيد من هذه التطورات.

تعد Umicore (UMICY) واحدة من هذه الشركات التي تعمل في مجال مواد البطاريات، 特别 في تقنيات الكاثود، مع التركيز على المواد المتقدمة وال مستدامة. في حين أن Lithium Americas Corp. (LAC) هي مورد ليثيوم، وVale (VALE) هي شركة رائدة في إنتاج الحديد والمنغنيز. الآن، دعونا نلقي نظرًا على بعض الأسماء البارزة:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

تعد Albemarle مصنّعًا كبيرًا للليثيوم، وقد طوّرت تقنيات بطارية ذات كثافة طاقة أعلى للتخفيض الوزن وتوسيع النطاق. وهي واحدة من أكبر منتجي الليثيوم لبطاريات السيارات الكهربائية. تقدم الشركة حلول للمواد الكاثودية، وحلول للمواد الأنودية، وحلول لمواد الموصلات الأيونية، وحلول لأغلفة البطاريات.

مع قيمة سوقية تبلغ 9.84 مليار دولار، تُباع أسهم Albemarle حاليًا بقيمة 83.66 دولار، منخفضة 41.6 في المائة منذ بداية العام. لديها ربح للأسهم (TTM) بقيمة -4.73، ومعدل ربح الأسهم (TTM) بقيمة -17.67، وعائد أرباح بقيمة 1.94 في المائة. في الربع الثاني من عام 2024، أعلنت الشركة عن مبيعات صافية بقيمة 1.4 مليار دولار أمريكي وربح معدل الأسهم (TTM) بقيمة 386 مليون دولار أمريكي. كان الflux العملياتي بقيمة 363 مليون دولار أمريكي، أعلى من 289 مليون دولار أمريكي من الربع السابق. كما سلمت Albemarle أكثر من 150 مليون دولار أمريكي من فوائد الانتاجية.

#2. QuantumScape (QS)

تعد QuantumScape مطورًا لبطاريات الليثيوم المعدنية الحالة الصلبة، التي تستهدف تحويل تخزين الطاقة. قامت الشركة بتطوير تصميم خلايا خالية من الأنود، الذي يقلل من تكاليف المواد ويدل على كثافة طاقة أعلى. في هذا العام، شكلت QuantumScape شراكة مع شركة فولكسفاغن للبطاريات PowerCo، منحت لهم ترخيصًا لإنتاج كميات كبيرة من خلايا البطارية باستخدام منصة QuantumScape.

مع قيمة سوقية بقيمة 2.75 مليار دولار أمريكي، تُباع أسهم QuantumScape حاليًا بقيمة 5.51 دولار أمريكي، منخفضة 19.78 في المائة منذ بداية العام. لديها ربح للأسهم (TTM) بقيمة -0.95 ودخل معدل الأسهم (TTM) بقيمة -5.78. في الربع الثاني من عام 2024، أعلنت الشركة عن مصروفات رأس المال بقيمة 18.9 مليون دولار أمريكي، في حين كانت نفقات العمليات بقيمة 134.5 مليون دولار أمريكي. كان السيولة بقيمة 938 مليون دولار أمريكي في نهاية الربع.

الخلاصة

نظرًا للاستخدام الواسع وحجم السوق للبطاريات، تتم أبحاث وتطوير تقنيات بطارية جديدة ومتقدمة. كما เหنا في الدراسة الأخيرة، أظهرت مادة الكاثود الجديدة “كثافات طاقة جاذبية أعلى من 1100 وات ساعة لكل كيلوغرام وأكثر من 70 في المائة من الحفاظ على 100 دورة، مفتوحة الباب للكاثودات المصنوعة من العناصر الوفرة على الأرض مثل المنغنيز والحديد.

منذ أن البطاريات الليثيوم أيون تعد جزءًا حاسمًا من الانتقال النظيف، تضمن دراسات مثل هذه استمرار النمو وانخفاض الأسعار من خلال تطوير “مواد كاثود رخيصة وأداء عالي”.

هذا يشير إلى مستقبل واعد لتخزين الطاقة، مع القدرة على تلبية الطلب المتزايد على الطاقة عالميًا وتقليل الأثر البيئي.

انقر هنا لمشاهدة قائمة أفضل عشرة أسهم بطارية للاستثمار فيه.