كيف يمكن لتقنية بطاريات الحالة الصلبة في برينستون أن تُحوِّل تخزين الطاقة

البطارية المثالية

As batteries have become the basis of EV powertrains, their performance and safety profile have improved. So far, this has been achieved with variations of lithium batteries, either lithium-ion (lithium-nickel-manganese NMC & lithium-nickel-cobalt-aluminum NCA) or lithium-ferrum-phosphate (LFP) batteries. It was a transformative technology that rightfully earned its inventors the 2019 Nobel Prize in Chemistry (follow the link for the history of lithium-ion invention).

حتى الآن، كان من المتوقع أن تظل هذه البطاريات تهيمن على سوق البطاريات، بفضل كثافتها الطاقية العالية للغاية.

المصدر: S&P Global

مع ذلك، هناك حد لكمية الطاقة التي يمكن أن تحتفظ بها بطاريات أيون الليثيوم التقليدية. لهذا يبحث الباحثون عن خيارات أخرى، ومن أكثرها احتمالاً للنجاح هي بطاريات الحالة الصلبة.

من المتوقع أن تكون بطاريات الحالة الصلبة أكثر أمانًا، وأكثر كثافة طاقة، وأكثر متانة من بطاريات أيون الليثيوم التقليدية. ومع ذلك، يصعب تصنيعها بشكل موثوق على نطاق واسع وبطريقة فعّالة من حيث التكلفة، مما أبطأ من تبنيها.

قد يتغير ذلك، وتأتي رؤى جديدة حول ما يسبب فشل بطاريات الحالة الصلبة من باحثين يعملون في جامعة برينستون، جامعة بوردو، جامعة ميتشغان، ومختبر بروكهفن الوطني.

نشروا أحدث اكتشافاتهم في ورقتين علميتين في مجلة Advanced Energy Materials¹ ومجلة ACS Energy Letters²، على التوالي، تحت عناوين “حركيات الليثيوم في طبقة وسيطة مسامية من الفضة-الكربون في بطاريات الحالة الصلبة الخالية من الخزان” & “فشل ناتج عن خيوط في بطاريات الحالة الصلبة الخالية من خزان الليثيوم”.

كما حللوا أحدث ما توصلت إليه علوم البطاريات فيما يتعلق بالبطاريات الخالية من الأنود ونشروا ذلك في مجلة Nature Materials³، تحت عنوان “التحليل الكهرو-كيميائي-الميكانيكي للبطاريات الخالية من الأنود ذات الحالة الصلبة”.

بطارية الحالة الصلبة الخالية من الأنود

فكرة بطاريات الحالة الصلبة هي استبدال الكهرل السائل في بطاريات أيون الليثيوم بطبقة من المعدن الصلب. هذا يُعد المصدر الرئيسي لتحسين الكفاءة، حيث إن الكهرلات ثقيلة وكثيفة الحجم.

المصدر: University Of Chicago

هذا أيضًا يحسن ملف السلامة، حيث إن مذيبات الكهرل عادةً ما تكون قابلة للاشتعال، مما يخلق حرائق بطارية نادرة ولكن مبهرة التي ألحقت سمعة سيئة بالسيارات الكهربائية المبكرة.

خطوة أخرى استكشفها الباحثون مؤخرًا، وهي إزالة نصف البطارية بالكامل. تتكون البطاريات من قطب موجب (المهبط) وقطب سالب (الأنود)، كل منهما يحمل شحنة كهربائية مختلفة.

البطاريات الخالية من الأنود تتخلى تمامًا عن الحاجة إلى الأنود،

“بدلاً من ذلك، تتدفق الأيونات من القطب الموجب مباشرة إلى المجمع الكهربائي في الطرف المقابل من البطارية. ثم تُرصّ الأيونات على المجمع الكهربائي نفسه، مكوّنةً طبقة رقيقة من المعدن أثناء شحن البطارية.”

المصدر: Princeton University

في تحليلهم لتقنية البطاريات الخالية من الأنود اليوم، يجادل الباحثون في برينستون أن المشكلة الرئيسية لتقدم التقنية هي فهم ضعيف للتأثير الميكانيكي لدورة الشحن‑التفريغ، أكثر من التفاعلات الكيميائية.

الآليات التي تحكم دورة الشحن‑التفريغ للبطاريات الخالية من الأنود تُسيطر عليها إلى حد كبير ظواهر كهروميكانيكية‑كيميائية عند الواجهات الصلبة‑الصلبة، وهناك اختلافات ميكانيكية مهمة عند مقارنتها بالبطاريات التقليدية ذات الفائض الليثيومي.

 تحديات الحالة الصلبة

في بطارية كلاسيكية، الاتصال بالأقطاب (الأنود & المهبط) سهل نسبيًا، لأن الكهرل في حالة سائلة. في بطارية الحالة الصلبة، يجب أن يبقى المعدن الصلب على اتصال كامل مع المجمع الكهربائي.

إذا لم يكن هذا الاتصال متساويًا تمامًا، تصبح المناطق ذات الاتصال الجيد نقاط حرارة، بينما تشكل المناطق ذات الاتصال الضعيف فراغات.

لفهم سبب حدوث ذلك، يحتاج الباحثون إلى فهم كامل للعملية المعقدة التي تحدث أثناء شحن وتفريغ البطارية. هذا ليس مجرد ظاهرة كيميائية، بل ميكانيكية أيضًا، حيث يتغير شكل المادة قليلًا مع مرور الوقت.

في الورقة الأولى, they discovered that pressure can play an important role in how the solid-state metal reacts.

مشكلات الضغط المنخفض

تكشف المجهر الإلكتروني الماسح كيف يزداد اتصال سطح الليثيوم مع زيادة الضغط. لذا يعني أن الضغط المنخفض جدًا لا يحقق تحسينًا كافيًا للاتصال غير المتساوي الناجم عن تلك العيوب السطحية.

المصدر: ACS Publication

في النهاية، أدى الطلاء غير المتساوي إلى تكوين خيوط معدنية حادة تشبه الإبر الصغيرة، يمكنها اختراق الكهرل الصلب وتسبب حدوث قصر في الدائرة.

مشكلات الضغط العالي

بينما يمكن للضغط العالي أن يخلق طلاءًا وتخلصًا موحدًا، فهو ليس حلًا سحريًا.

وجد الباحثون أنه يجبر الكهرل والمجمع الكهربائي على الالتقاء بشدة بحيث تُكبَّر أي عيوب في أي منهما حتى يتسبب الإجهاد الميكانيكي في تكوين شقوق.

المصدر: ACS Publication

باستخدام تصوير مقطعي بالأشعة السينية، تمكن الباحثون من رسم خريطة لهذه الشقوق التي تتشكل تحت الضغط العالي.

مع زيادة ضغط الكومة من 2 إلى 10 ميغاباسكال، ينمو حجم الشقوق بالكامل. تمتد العديد من الشقوق إلى جانب القطب المقابل (الأشكال 3b–e وS10)، ويمكن لنتوء ليثيوم واحد يصل إلى القطب المقابل أن يسبب قصرًا كهربائيًا.

المصدر: ACS Publication

بشكل عام، العثور على النقطة المثالية بين ضغط منخفض كافٍ واتصال فعال سيكون الهدف النهائي لصناعة البطاريات.

“الكأس المقدسة في هذا المجال ستكون معرفة كيفية الحفاظ على اتصال صلب عند ضغوط منخفضة لأن تصنيع كهرل خالٍ من العيوب عمليًا مستحيل. إذا أردنا تحقيق إمكانات هذه البطاريات، علينا حل مشكلة الاتصال.”
Pr. Kelsey Hatzell – Associate professor of mechanical and aerospace engineering

تحسين الطلاء

تحقيق طلاء أكثر تجانسًا هو موضوع الورقة الثانية التي نشرتها فريق البروفيسور هاتزل وزملاؤه في جامعات ومختبرات أخرى.

وجدوا أن طبقة رقيقة من الطلاء بين المجمع الكهربائي والكهرل تسهل نقل الأيونات بشكل أفضل. اختبروا عدة تصاميم لهذه الطبقة.

في النهاية، وجدوا أن الخيار الأفضل هو الطبقات الوسيطة المصنوعة من الكربون وجزيئات الفضة النانوية. تشكل الفضة في هذه الطبقات وسائط مع الأيونات أثناء شحن وتفريغ البطارية، مما يتيح طلاءًا وتخلصًا متساويين من المجمع الكهربائي.

مع ذلك، تفاصيل طريقة تصنيع جزيئات الفضة لها أهمية كبيرة. عند استخدام جزيئات نانوية أكبر بحجم 200 نانومتر، تشكلت هياكل معدنية رفيعة وغير متساوية على المجمع الكهربائي. أدى ذلك إلى تقليل السعة وفشل البطارية في النهاية بعد عدة دورات شحن.

المصدر: Advanced Energy Materials

“قليل من المجموعات فقط قامت بالتحقق من العمليات الفعلية التي تحدث في هذه الطبقات الوسيطة. من بين النتائج الأخرى، أثبتنا أن استقرار هذه الأنظمة مرتبط بشكل الميتال أثناء الطلاء والتخلص من المجمع الكهربائي.”
Se Hwan Park – Postdoctoral researcher at Princeton University

أداء جزيئات الفضة بحجم 50 نانومتر كان أفضل بكثير، حيث أنشأت هياكل أكثر كثافة وتجانسًا، مما أدى إلى بطاريات ذات استقرار أعلى وإنتاج طاقة أكبر.

“يمكن لهذه النتائج أن توجه استراتيجية تصنيع هذه الطبقات الوسيطة.

من خلال تقليل حجم جزيئات الفضة، يمكننا التأكد من أننا نحصل فقط على مزايا الفضة في الطبقة الوسيطة، وهو ما قد يسمح لنا بتحقيق اتصال جيد وطلاء متساوٍ حتى عند الضغوط المنخفضة.”

Se Hwan Park – Postdoctoral researcher at Princeton University

بناء بطاريات حالة صلبة أفضل

لفترة طويلة، عانى مفهوم بطارية الحالة الصلبة من صعوبة الخروج من المختبر والوصول إلى خطوط الإنتاج على نطاق واسع.

هذا يتغير الآن، حيث أن دولًا مثل الصين واليابان وكوريا الجنوبية لديها خطط قريبة لإدخال بطاريات الحالة الصلبة إلى السوق.

• Samsung SDI (006400.KS) قد تعهدت ببدء الإنتاج الضخم للبطاريات الصلبة بحلول عام 2027
• Hyundai (HYMTF) تتطلع إلى الإنتاج الضخم بحلول 2030
• Toyota (TM ) لديها هدف إنتاج ضخم لعام 2028، محدثة هدفها السابق لعام 2030

 “التحدي سيكون الانتقال من البحث إلى الواقع في بضع سنوات فقط. نأمل أن يدعم العمل الذي نقوم به الآن في MUSIC (فهم الميكانيك الكهرو‑كيميائي للموصلات الصلبة) تطوير ونشر هذه البطاريات الجيل القادم على نطاق واسع بشكل ملحوظ.”
Pr. Kelsey Hatzell – Associate professor of mechanical and aerospace engineering]

الاستثمار في تقنيات البطاريات المتقدمة

تُعد البطاريات في صميم اتجاه التحول الكهربائي، وهو مسعى متعدد التريليونات من الدولارات يهدف إلى إزالة الوقود الأحفوري من مصادر طاقةنا.

يمكنك الاستثمار في شركات متعلقة بالبطاريات عبر العديد من الوسطاء، ويمكنك العثور هنا، على securities.io، على توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة، 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) للبطاريات مثل Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)، صندوق Global X’s Lithium & Battery Tech ETF (LIT)، أو WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF، والتي ستوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من نمو صناعة البطاريات.

شركة بطاريات الحالة الصلبة

QuantumScape

منذ تأسيسها في عام 2010، كانت شركة QuantumScape (QS ) الكاليفورنية شركة ناشئة بارزة في مجال بطاريات الحالة الصلبة، تميزت بدخولها المبكر إلى هذا المجال واستقلالها عن الشركات المصنعة الكبرى للبطاريات التي تسعى أيضًا إلى تقنية الحالة الصلبة، مثل CATL (300750.SZ)، Samsung، أو LG Energy Solution (373220.KS).

المصدر: QuantumScape

إحدى الميزات الفريدة لبطاريات QuantumScape، التي كانت في ذلك الوقت تُعتبر ثورية، هي استخدامها لتصميم خالٍ من الأنود. يسمح ذلك بشحن سريع يبلغ حوالي 15 دقيقة (من 10% إلى 80% عند 45 ºC) ويكون الفاصل غير قابل للاشتعال ولا يشتعل.

المصدر: QuantumScape

هذا أيضًا يضع بطاريات QuantumScape في فئة خاصة عندما يتعلق الأمر بكثافة الطاقة وسرعة الشحن، متفوقةً بشكل كبير على القادة مثل Tesla (TSLA ) (سواءً تصاميمها الخاصة أو تلك المصنوعة من قبل CATL).

المصدر: QuantumScape

ومع ذلك، تم إعاقة هذه الأداءات المذهلة بانتظام بسبب صعوبة زيادة الإنتاج. كما أجبر ذلك الشركة على استنزاف احتياطياتها النقدية، مما أدى إلى تخفيف حصة المستثمرين السابقين وانخفاض أسعار الأسهم.

يبدو أن هذا يتغير، منذ الاتفاقية لعام 2024 مع PowerCo، قسم بطاريات مجموعة فولكس فاجن، لتوقيع صفقة ترخيص لتصميم وإنتاج بطاريات QuantumScape على نطاق واسع بواسطة PowerCo.

بموجب صفقة الترخيص غير الحصرية، يمكن لـ PowerCo تصنيع ما يصل إلى 40 جيجاواط‑ساعة سنويًا من بطاريات السيارات الكهربائية، مع خيار التوسع إلى 80 جيجاواط‑ساعة سنويًا.

يبدو أن الزيادة المفاجئة في إنتاج QuantumScape مرتبطة بـ Cobra، معدات الفاصل للبطاريات الصلبة من الجيل التالي للشركة، وهو اختراق في تصنيع السيراميك.

بشكل عام، من المتوقع دمج Cobra في الإنتاج عام 2025 وسيتم إنتاج أول سيارة كهربائية نهائية تستخدم بطاريات QuantumScape في عام 2026.

المصدر: QuantumScape

قد يكون هذا نقطة تحول للشركة، حيث تنتقل بعد 16 عامًا من تأسيسها من شركة ناشئة واعدة ذات ملكية فكرية مثيرة إلى تحقيق إيرادات متزايدة من شراكة مع أحد أكبر صانعي السيارات في العالم.

في الوقت نفسه، يجب أن يتوقع المستثمرون بعض التقلبات في سعر السهم، لكن هناك بصيص أمل في نهاية نفق تطوير المنتج.

أحدث ما يتعلق بـ QuantumScape

مرجع الدراسة:

^{1. Se Hwan Park, et al. (2025) فشل ناتج عن خيوط في بطاريات الحالة الصلبة الخالية من خزان الليثيوم. ACS Energy Letters. 22 فبراير 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004} 

^{2. Se Hwan Park, et al. (2024). حركيات الليثيوم في طبقة وسيطة مسامية من الفضة-الكربون في بطاريات الحالة الصلبة الخالية من الخزان. Advanced Energy Material. 19 ديسمبر 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129} 

^{3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). التحليل الكهرو-كيميائي-الميكانيكي للبطاريات الخالية من الأنود ذات الحالة الصلبة. Nature Materials. 02 يناير 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z}