كيف يمكن لتقنية بطاريات الحالة الصلبة في جامعة برينستون أن تحول عملية تخزين الطاقة

البطارية المثالية

مع تحول البطاريات إلى أساس محركات السيارات الكهربائية، تحسنت مستويات أدائها وسلامتها. وحتى الآن، تم تحقيق ذلك باستخدام أنواع مختلفة من بطاريات الليثيوم، سواء بطاريات ليثيوم أيون (بطاريات ليثيوم-نيكل-منغنيز NMC وبطاريات ليثيوم-نيكل-كوبالت-ألومنيوم NCA) أو بطاريات ليثيوم-فيروم-فوسفات (LFP). كانت هذه تقنية تحويلية حققت نجاحًا كبيرًا. حصل مخترعوها على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019 (اتبع الرابط لمعرفة تاريخ اختراع أيون الليثيوم).

وحتى الآن، كان من المتوقع أن تظل هذه البطاريات مهيمنة على سوق البطاريات، وذلك بفضل كثافتها العالية للغاية من حيث الطاقة.

المصدر S&P Global

ولكن هناك حد لكمية الطاقة التي تستطيع بطاريات الليثيوم أيون الكلاسيكية تخزينها. ولهذا السبب يبحث الباحثون عن خيارات أخرى، ومن المرجح أن تؤتي ثمارها البطاريات الصلبة.

من المتوقع أن تكون البطاريات ذات الحالة الصلبة أكثر أمانًا وكثافة في استخدام الطاقة وأكثر متانة من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. ومع ذلك، من الصعب جدًا تصنيعها بشكل موثوق به على نطاق واسع بطريقة فعالة من حيث التكلفة، مما أدى إلى إبطاء اعتمادها.

ولكن من الممكن أن يتغير هذا، وهناك رؤى جديدة حول ما يجعل بطاريات الحالة الصلبة تفشل تأتي من باحثين يعملون في جامعة برينستون، وجامعة بيردو، وجامعة ميشيغان، ومختبر بروكهيفن الوطني.

وقد نشروا اكتشافاتهم الأخيرة في ورقتين علميتين في مجلة Advanced Energy Materials¹ ورسائل الطاقة ACS²، على التوالي، تحت عناوين "حركية الليثيوم في الطبقة المسامية Ag–C في البطاريات الصلبة الخالية من الخزانات"&"الفشل الناجم عن الفتيل في بطاريات الحالة الصلبة الخالية من خزان الليثيوم".

كما قاموا بتحليل الحالة الحالية لعلم البطاريات فيما يتعلق بالبطاريات الخالية من الأنود ونشروا ذلك في مجلة Nature Materials³، تحت عنوان "الميكانيكا الكهربائية الكيميائية للبطاريات الصلبة الخالية من الأنود".

بطارية الحالة الصلبة الخالية من الأنود

تكمن فكرة البطاريات ذات الحالة الصلبة في استبدال الإلكتروليت السائل في بطاريات الليثيوم أيون بطبقة من المعدن الصلب. وهذا هو المصدر الرئيسي لزيادة الكفاءة، حيث أن الإلكتروليتات ثقيلة وكبيرة الحجم.

المصدر جامعة شيكاغو

ويؤدي هذا أيضًا إلى تحسين ملف السلامة، حيث أن مذيبات الإلكتروليت قابلة للاشتعال عادةً، مما يؤدي إلى حرائق نادرة ولكنها مذهلة في البطاريات والتي كانت تعطي سمعة سيئة للسيارات الكهربائية المبكرة.

وقد استكشف الباحثون مؤخرًا خطوة أخرى، وهي إزالة نصف البطارية بالكامل. تتكون البطاريات من كاثود وأنود، ولكل منهما شحنة كهربائية مختلفة.

تتخلى البطاريات الخالية من الأنود تمامًا عن الحاجة إلى الأنود،

"بدلاً من ذلك، تتدفق الأيونات من الكاثود الموجب مباشرةً إلى جامع التيار في الطرف المقابل للبطارية. ثم تتجمع الأيونات على جامع التيار نفسه، لتشكل طبقة معدنية رقيقة أثناء شحن البطارية."

المصدر جامعة برينستون

في تحليلهم لتكنولوجيا خالية من الأنود اليوم، يزعم باحثو برينستون أن القضية الرئيسية التي تعوق تقدم التكنولوجيا بشكل أكبر هي سوء فهم التأثير الميكانيكي لدورة الشحن والتفريغ، أكثر من التفاعلات الكيميائية.

يتم التحكم إلى حد كبير في الآليات التي تحكم دورة الشحن والتفريغ للبطاريات الخالية من الأنود من خلال الظواهر الكهروكيميائية الميكانيكية عند واجهات المواد الصلبة-الصلبة، وهناك اختلافات ميكانيكية مهمة عند مقارنتها ببطاريات الليثيوم الزائدة التقليدية.

 تحديات الحالة الصلبة

في البطارية الكلاسيكية، يكون الاتصال بالأقطاب الكهربائية (الأنود والكاثود) سهلاً نسبيًا، حيث يكون الإلكتروليت في صورة سائلة. في البطارية ذات الحالة الصلبة، يجب أن يظل المعدن الصلب على اتصال تام بجامع التيار.

إذا لم يكن هذا متساويًا تمامًا، فإن المناطق ذات الاتصال الجيد تصبح نقاطًا ساخنة، في حين أن المناطق ذات الاتصال الضعيف تشكل فراغات.

لفهم سبب حدوث ذلك، يحتاج الباحثون إلى فهم كامل للعملية المعقدة التي تحدث أثناء شحن البطارية وتفريغها. هذه ليست ظاهرة كيميائية فحسب، بل إنها ظاهرة ميكانيكية أيضًا، حيث يتغير شكل المادة قليلاً بمرور الوقت.

في الورقة الأولىواكتشفوا أن الضغط يمكن أن يلعب دورًا مهمًا في كيفية تفاعل المعدن الصلب.

مشاكل الضغط المنخفض

يكشف المجهر الإلكتروني الماسح كيف يزداد اتصال الليثيوم بالسطح مع زيادة الضغط. وهذا يعني أن الضغط المنخفض للغاية لا يكفي لتحسين الاتصال غير المتساوي الناجم عن تلك المخالفات السطحية.

المصدر منشورات ACS

في نهاية المطاف، أدى الطلاء غير المتساوي إلى تكوين خيوط معدنية حادة، والتي، مثل الإبر الصغيرة، يمكن أن تخترق الإلكتروليت الصلب وتتسبب في حدوث ماس كهربائي في البطارية.

قضايا الضغط العالي

على الرغم من أن الضغط العالي يمكن أن يؤدي إلى طلاء وتجريد موحدين، إلا أنه ليس حلاً سحريًا.

اكتشف الباحثون أن ذلك أجبر الإلكتروليت وجامع التيار معًا بقوة شديدة لدرجة أن أي عيب في أي منهما تم تضخيمه حتى تسبب الضغط الميكانيكي في تكوين كسور.

المصدر منشورات ACS

وباستخدام التصوير المقطعي بالأشعة السينية، تمكن الباحثون من رسم خريطة لهذه الشقوق التي تتشكل تحت ضغط مرتفع.

مع زيادة ضغط المكدس من 2 إلى 10 ميجا باسكال، يزداد حجم التشقق بالكامل. تمتد العديد من التشققات إلى جانب القطب المضاد (الشكلان 3ب-هـ وS10)، ويمكن أن تتسبب شجيرة ليثيوم واحدة تصل إلى القطب المضاد في حدوث ماس كهربائي.

المصدر منشورات ACS

بشكل عام، فإن العثور على النقطة المثالية للضغط المنخفض بما يكفي، ولكن مع الاتصال الفعال، سيكون الهدف النهائي لصناعة البطاريات.

"إن الهدف الأسمى في هذا المجال هو التوصل إلى كيفية الحفاظ على الاتصال الصلب عند ضغوط منخفضة، حيث إن تصنيع إلكتروليت خالٍ من العيوب أمر مستحيل عمليًا. وإذا أردنا تحقيق إمكانات هذه البطاريات، فيتعين علينا حل مشكلة الاتصال."

العلاقات العامة. كيسي هاتزيل - أستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية والفضائية

طلاء أفضل

تحقيق طلاء أكثر اتساقًا هو موضوع الورقة الثانية نُشرت هذه الدراسة من قبل فريق البروفيسور هاتزيل وزملائهم في جامعات ومختبرات أخرى.

وجد الباحثون أن طبقة الطلاء الرقيقة بين جامع التيار والإلكتروليت تسهل نقل الأيونات بشكل أفضل. وقد اختبروا تصميمات متعددة لهذا الطلاء.

وفي النهاية، وجد الباحثون أن الخيار الأفضل هو الطبقات البينية المصنوعة من جسيمات نانوية من الكربون والفضة. حيث شكلت الفضة في هذه الطبقات البينية سبائك مع الأيونات أثناء شحن البطارية وتفريغها، مما سمح بالطلاء والتقشير المتساويين من جامع التيار.

ومع ذلك، فإن التفاصيل المتعلقة بكيفية تصنيع جزيئات الفضة مهمة للغاية. فعند استخدام جزيئات نانوية أكبر حجمًا تبلغ 200 نانومتر، فإنها تشكل هياكل معدنية رفيعة وغير متساوية على مجمع التيار. وقد أدى هذا إلى تقليل السعة وفشل البطارية في النهاية على مدار عدة دورات شحن.

المصدر مواد الطاقة المتقدمة

"لم يقم سوى عدد قليل من المجموعات بدراسة العمليات الفعلية التي تحدث في هذه الطبقات المتداخلة. ومن بين النتائج الأخرى التي توصلنا إليها، أثبتنا أن استقرار هذه الأنظمة مرتبط بشكل المعدن أثناء تقشيره وفصله عن المجمع الحالي."

حديقة سي هوان - Pباحث دكتوراه في جامعة برينستون

أظهرت جزيئات الفضة مقاس 50 نانومتر أداءً أفضل بكثير، مما أدى إلى إنشاء هياكل أكثر كثافة وتوحيدًا، مما أدى إلى إنتاج بطاريات ذات استقرار أكبر وناتج طاقة أعلى.

"يمكن أن تساعد هذه النتائج في صياغة استراتيجية تصنيع هذه الطبقات المتداخلة.

ومن خلال تقليل حجم جزيئات الفضة، يمكننا التأكد من أننا نحصل فقط على مزايا الفضة في الطبقة المتوسطة، وهو ما قد يسمح لنا بدوره بتحقيق اتصال جيد وطلاء موحد حتى عند الضغوط المنخفضة".

حديقة سي هوان - Pباحث دكتوراه في جامعة برينستون

تصنيع بطاريات الحالة الصلبة بشكل أفضل

لفترة طويلة، واجه مفهوم البطارية الصلبة صعوبة في الخروج من المختبر والوصول إلى أرض المصنع، مع الإنتاج على نطاق واسع.

ولكن هذا يتغير الآن، حيث تعتزم دول مثل الصين واليابان وكوريا الجنوبية إعداد خطط قريبة الأمد لجلب بطاريات الحالة الصلبة إلى السوق.

فمثلا:

• سامسونج SDI (006400.KS) تعهدت بالبدء في إنتاج البطاريات الصلبة بكميات كبيرة بحلول عام 2027
• هيونداي (هيمتف) يبحث في الإنتاج الضخم بحلول عام 2030
• تويوتا (TM ) لديه هدف إنتاج ضخم يبلغ 2028، تحديثًا لهدفها السابق لعام 2030.

 التحدي يكمن في الانتقال من البحث إلى الواقع في غضون بضع سنوات فقط. نأمل أن يكون العمل الذي نقوم به الآن MUSIC (الفهم الميكانيكي الكيميائي للموصلات الأيونية الصلبة) يمكن أن يدعم تطوير ونشر هذه البطاريات من الجيل التالي على نطاق واسع إلى حد كبير.

العلاقات العامة. كيسي هاتزيل - أستاذ مشارك في الهندسة الميكانيكية والفضائية]

الاستثمار في تقنيات البطاريات المتقدمة

تقع البطاريات في قلب اتجاه الكهرباء، وهو في حد ذاته مسعى كبير تبلغ قيمته عدة تريليونات من الدولارات يهدف إلى إزالة الوقود الأحفوري من مصادر الطاقة لدينا.

يمكنك الاستثمار في الشركات المتعلقة بالبطاريات من خلال العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور عليها هنا الأوراق المالية.io، توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية, كندا, أستراليا, المملكة المتحدة, وكذلك العديد من البلدان الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات بطاريات معينة، فيمكنك أيضًا البحث في صناديق الاستثمار المتداولة للبطاريات مثل Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)، X العالمية صندوق الاستثمار المتداول لتكنولوجيا الليثيوم والبطاريات (LIT)، أو ويزدوم تري لحلول البطاريات UCITS ETF، والتي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من صناعة البطاريات المتنامية.

شركة بطاريات الحالة الصلبة

QuantumScape

منذ تأسيسها في عام 2010، كانت شركة Californian Quantum Scape شركة ناشئة بارزة في مجال بطاريات الحالة الصلبة، وتتميز بتحركها المبكر نحو هذا المجال، واستقلالها عن شركات تصنيع البطاريات الأكبر حجمًا التي تسعى أيضًا إلى تقنية الحالة الصلبة، مثل CATL (300750.SZ)، Samsung، أو LG Energy Solution (373220.KS).

المصدر QuantumScape

من بين السمات الفريدة لبطاريات QuantumScape، والتي كانت تعتبر ثورية في ذلك الوقت، أنها تستخدم تصميمًا خاليًا من الأنود. يسمح هذا التصميم بالشحن السريع لمدة 15 دقيقة تقريبًا (10-80% عند 45 درجة مئوية) والفاصل غير قابل للاشتعال وغير قابل للاحتراق.

المصدر QuantumScape

ويضع هذا أيضًا بطاريات QuantumScape في فئة خاصة بها عندما يتعلق الأمر بكثافة الطاقة وسرعة الشحن، متفوقة بشكل كبير على الشركات الرائدة مثل Tesla (سواء بتصميمها الخاص أو تلك المصنوعة بواسطة CATL).

المصدر QuantumScape

ولكن هذه الأداءات الرائعة كانت تتعثر بانتظام بسبب النضال من أجل زيادة الإنتاج. كما أجبرت الشركة على استنزاف أكوام النقد لديها، مما أدى إلى تقليص استثمارات المستثمرين السابقين وانخفاض أسعار الأسهم.

يبدو أن هذا يتغير، منذ اتفاقية 2024 مع شركة باوركوفازت شركة QuantumScape، قسم البطاريات في مجموعة فولكس فاجن، بصفقة ترخيص لتصميم وإنتاج بطاريات QuantumScape بكميات كبيرة بواسطة شركة PowerCo.

وبموجب صفقة الترخيص غير الحصري، يمكن لشركة PowerCo تصنيع ما يصل إلى 40 جيجاواط/ساعة سنويًا من بطاريات السيارات الكهربائية، مع خيار التوسع إلى 80 جيجاواط/ساعة سنويًا.

يبدو أن التوسع المفاجئ في إنتاج QuantumScape مرتبط بـ كوبرا، الشركة معدات فصل البطاريات ذات الحالة الصلبة من الجيل التالي، وهو إنجاز كبير في تصنيع السيراميك.

وبشكل عام، من المقرر أن تدخل سيارة كوبرا مرحلة الإنتاج في عام 2025، ومن المقرر أن يتم إنتاج أول سيارة كهربائية تستخدم بطاريات QuantumScape في عام 2026.

المصدر QuantumScape

ويمكن أن يكون هذا بمثابة نقطة تحول بالنسبة للشركة، بعد 16 عامًا من تأسيسها من شركة ناشئة واعدة ذات ملكية فكرية مثيرة للاهتمام إلى توليد إيرادات متزايدة من شراكة مع واحدة من أكبر شركات صناعة السيارات في العالم.

وفي الوقت نفسه، لا يزال المستثمرون يتوقعون بعض التقلبات في سعر السهم، ولكن مع وجود ضوء في نهاية نفق تطوير المنتج.

أحدث الأخبار عن QuantumScape

مرجع الدراسة:

^{1. حديقة سي هوان، وآخرون. (2025) الفشل الناجم عن الفتيل في بطاريات الحالة الصلبة الخالية من خزان الليثيوم. خطابات الطاقة ACS. ٥ فبراير، ٢٠٢٤  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004} 

^{2. حديقة سي هوان، وآخرون. (2024). حركية الليثيوم في الطبقة المسامية Ag–C في البطاريات الصلبة الخالية من الخزانات. مادة الطاقة المتقدمة. 19 ديسمبر 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129} 

^{3. ستيفاني إليزابيث ساندوفال وآخرون (2025). الميكانيكا الكهربائية الكيميائية للبطاريات الصلبة الخالية من الأنود. مواد الطبيعة. 02 يناير 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z}