هل سيهبط الطلب على الليثيوم مع بطاريات الصوديوم-أيون الجديدة؟

التجاوز عن بطاريات الليثيوم-آيون

أصبحت البطاريات تدريجياً الابتكار التكنولوجي الرئيسي لهذا العقد، كما شكلت العقود السابقة بفضل صعود الحواسيب الشخصية أو الإنترنت.

ذلك لأن التقدم في تكنولوجيا البطاريات يدفع ليس فقط ثورة المركبات الكهربائية، بل ظهر أيضاً كقيد أساسي لتخضير شبكة الطاقة، بسبب تقلبات مصادر الطاقة المتجددة.

ستكون البطاريات ذات الكثافة الفائقة و/أو الرخيصة أيضاً حاسمة في كهربة وإزالة الكربون من القطاعات الاقتصادية المستهلكة للطاقة، مثل الصناعة الثقيلة (الكيميائيات، التعدين، التصنيع) والنقل (الشاحنات، السفن، الطائرات).

حتى الآن، تم تحقيق ذلك من خلال تنوعات من بطاريات الليثيوم، إما بطاريات الليثيوم-آيون (NMC – الليثيوم-نيكل-منغنيز وNCA – الليثيوم-نيكل-كوبالت-ألومنيوم) أو بطاريات الليثيوم-فوسفات الحديد (LFP). كانت تقنية تحويلية استحقت بحق جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2019 للمخترعين (تابع الرابط لتاريخ اختراع بطارية الليثيوم-آيون).

حتى الآن، كان من المتوقع أن تستمر هذه البطاريات في هيمنة سوق البطاريات، بفضل كثافتها الطاقية العالية جداً.

المصدر: S&P Global

فيما بعد، تُعتبر البطاريات الحالة الصلبة خطوة محتملة لزيادة كثافة البطاريات واستخدام الكثير من الليثيوم، انظر “أفضل 5 أسهم للبطاريات الحالة الصلبة للمراقبة أو الشراء”.

مع ذلك، الليثيوم ليس الأيون الوحيد القابل للاستخدام في البطاريات. الصوديوم، الأكثر وفرة وأرخص، وهو أساس ملح الطعام، يُعد مرشحاً أيضاً.

المشكلة هي أن بطاريات الصوديوم-أيون كانت ذات كثافة طاقة أقل حتى الآن، فكانت تُخصص للسيارات الكهربائية منخفضة السعر/النطاق أو للبطاريات الثابتة على مستوى المرافق.

قد يتغير ذلك بفضل اختراع بطاريات الصوديوم-أيون باستخدام قطب TAQ. هذا هو عمل باحثين في معهد MIT ومختبر بروك هافن الوطني، الذين نشروا نتائجهم في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية تحت عنوان “بطاريات صوديوم-أيون عالية الطاقة وعالية القدرة من قطب عضوي طبقي”¹.

المصدر: جامعة برينستون

قطب TAQ

لقد أبلغنا سابقاً عن قطب TAQ في “تصميم بطارية أفضل – وداعاً للكوبالت ومرحباً بـ…TAQ؟”. TAQ، أو بيس-تترا أمينوبنزوكينون، هو مركب صلب عضوي طبقي.

في هذا البحث لعام 2024، اكتشف الباحثون أن TAQ لا يمتلك فقط إمكانات كمادة مكثفة، بل تفوق القطب الليثيوم التقليدي.

المصدر: GreenCarCongress

وجدوا طريقة لتحسين التلاصق بين TAQ وجمعية التيار المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ، مما حسّن استقرار النموذج الأولي للقطب الجديد.

بإضافة مواد تحتوي على السليلوز والمطاط إلى TAQ، حققوا بأمان أكثر من 2,000 دورة شحن‑تفريغ. كما كانت كثافة الطاقة أعلى من القطب القائم على الكوبالت، واستغرق الشحن أقل من 6 دقائق.

في عام 2024، ذكرنا إمكانية استخدام TAQ في كيميائيات بطاريات أخرى:

من الجدير بالذكر أيضاً أن الأقطاب العضوية نوقشت لأنواع أخرى من البطاريات، على سبيل المثال، للـالأيونات الألمنيوم، الصوديوم/البوتاسيوم‑أيون، الزنك أو البطاريات ذات الأيون المزدوج القائمة على الكالسيوم. لذا، من الممكن أن تُطبق خصائص TAQ على أنواع بطاريات أخرى غير الليثيوم‑آيون.

وهذا بالضبط ما فعله فريق البحث، حيث أنشأ بطارية صوديوم‑أيون ذات كثافة طاقة فائقة.

بطارية صوديوم‑أيون TAQ

لماذا الصوديوم؟

اختار الباحثون الصوديوم للخطوة التالية لأن المادة وفيرة جداً.

“دائماً ما يكون من الأفضل أن يكون لدينا محفظة متنوعة لهذه المواد. الصوديوم موجود في كل مكان. بالنسبة لنا، السعي إلى بطاريات تُصنع من موارد وفيرة حقاً مثل المادة العضوية ومياه البحر هو أحد أكبر أحلامنا البحثية.

أن تكون على الخطوط الأمامية لتطوير قطب صوديوم‑أيون مستدام من حيث التكلفة ومثالي هو أمر مثير حقاً.”

ميرسيا دينكا – أستاذ الكيمياء في MIT.

هناك أيضاً مبرر تجاري؛ فقد تم تمويل هذه الدراسة، بالإضافة إلى الدراسة الأولية لعام 2024 حول TAQ، من قبل شركة Automobili Lamborghini S.p.A. قد تكون المواد الأرخص وتكنولوجيا البطاريات غير المعتمدة على سلسلة إمداد مهيمنة من الصين منقذة لصناعة السيارات الأوروبية التي تعاني قليلاً وتؤخرها عملية الكهربة.

تكييف قطب TAQ لبطاريات الصوديوم

لكي يعمل مع الصوديوم، اضطر الباحثون إلى تعديل تصميمهم ليتوافق مع متطلبات بطاريات الصوديوم‑أيون.

كان أحد التحديات هو إنشاء قطب متجانس يحتوي على كل من TAQ والكربون.

“المادة اللاصقة التي اخترناها، أنابيب الكربون النانوية، تسهل خلط بلورات TAQ وجزيئات الكربون الأسود، مما ينتج قطباً متجانساً. تغلف أنابيب الكربون النانوية بلورات TAQ وتربط بينها.

كلا العاملين يعززان نقل الإلكترونات داخل كتلة القطب، مما يتيح استغلال ما يقرب من 100 % من المادة الفعالة، وهو ما يؤدي إلى قدرة أقرب إلى الحد النظري الأقصى.”

د. تيان يانغ تشن – باحث في MIT

المصدر: جامعة برينستون

أداء عالي

هذه السعة العالية جداً التي تم تحقيقها على نموذج أولي يمكن أن تتحول بسرعة إلى بطاريات فعّالة جداً، خصوصاً فيما يتعلق بوقت الشحن، وهو قيد شائع للسيارات الكهربائية وشكاوى المستهلكين.

“استخدام أنابيب الكربون النانوية يحسن بشكل كبير من أداء معدل البطارية، ما يعني أن البطارية يمكنها تخزين نفس كمية الطاقة في وقت شحن أقصر بكثير، أو يمكنها تخزين طاقة أكبر بكثير في نفس وقت الشحن.”

تم تحقيق ذلك مع الحفاظ على مزايا TAQ، وهي الاستقرار ضد الهواء والرطوبة، عمر طويل، القدرة على تحمل درجات حرارة مرتفعة، والاستدامة البيئية.

المنتج النهائي كان كثافة طاقة للقطب تبلغ 472 Wh/kg للقطب عند الشحن/التفريغ خلال 90 ثانية وأعلى قدرة نوعية تبلغ 31.6 kW/kg للقطب.

للمقارنة، هذا قريب إلى كثافة أقطاب Ni/Co الطبقية التجارية (≈740 Wh/kg‑قطب) المشار إليها في منشور علمي عام 2024.

التطورات المستقبلية والإمكانات التجارية

بشكل عام، من المرجح أن تظل بطاريات الليثيوم‑آيون الفاخرة، ولاحقاً بطاريات الحالة الصلبة، تسيطر على سوق السيارات الكهربائية الفاخرة.

مع ذلك، بالنسبة للقطاعات الأكثر حساسية للسعر مثل السيارات الكهربائية منخفضة ومتوسطة المدى، الشاحنات التجارية، تخزين الطاقة للمرافق، إلخ، من المحتمل أن تكون عوامل أخرى أكثر أهمية، مثل التكلفة الإجمالية، توفر الموارد، المتانة، وغيرها.

هذا قد يضع حداً للطلب على الليثيوم، حيث يتشكل الصوديوم تدريجياً كبديل قابل للتطبيق، بفضل مواد القطب المبتكرة مثل TAQ.

تحسينات أخرى قد تسهم أيضاً، على سبيل المثال، إزالة الحاجة إلى الأنود تماماً (الطرف الآخر من البطارية)، كما ناقشنا في يوليو 2024 في “بطاريات الصوديوم الصلبة بدون أنود قد تقلل الاعتماد على “مثلث الليثيوم””.

المصدر: جامعة شيكاغو

لم يتم اختبار ذلك بعد، ومن المحتمل أن يتطلب بعض التجارب، لكن يمكننا بسهولة تخيل أنه على المدى الطويل معظم السيارات الكهربائية والشاحنات التجارية لن تحتاج إلى بطاريات بمدى 1,000‑2,000 ميل باستخدام أفضل بطارية ليثيوم‑آيون صلبة ممكنة.

بدلاً من ذلك، بطارية صوديوم‑أيون بدون أنود، ربما صلبة الحالة، وربما بطارية صوديوم‑آيون، قد تكون كافية للوصول إلى مدى 400‑600 ميل بسعر أفضل.

إلى جانب الابتكار في الكيمياء، يمكن أن يحسن التصميم الهيكلي البطاريات، مثل الهيكل الخلوي المستخدم في بطارية “الحالة المكثفة” من CATL، أكبر منتج بطاريات في العالم. ربما يمكن نشر فكرة مماثلة على بطاريات الصوديوم‑آيون أيضاً. (انظر مزيداً من المعلومات في “CATL (300750.SZ): عملاق البطاريات”).

الاستثمار في تقنيات البطاريات المتقدمة

تقف البطاريات في مركز اتجاه الكهربة، وهو مسعى متعدد التريليونات من الدول يهدف إلى إزالة الوقود الأحفوري من مصادر طاقتنا.

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 مهتماً باختيار شركات بطاريات محددة، يمكنك أيضاً النظر في صناديق المؤشرات المتداولة (ETF) للبطاريات مثل Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)، أو صندوق Global X “Lithium & Battery Tech ETF (LIT)”، أو WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ) ، والتي ستوفر تعرضاً أكثر تنوعاً للاستفادة من نمو صناعة البطاريات.

شركة القطب العضوي

فولكسفاغن AG

تم تمويل أبحاث البروفيسور ميرسيا دينكا حول قطب TAQ، سواء في 2024 (بطارية ليثيوم‑آيون) أو 2025 (بطارية صوديوم‑أيون)، من قبل شركة Automobili Lamborghini S.p.A.، وهي شركة تابعة لـ Audi، التي تملكها مجموعة فولكسفاغن.

تم تقديم طلب براءة اختراع لتقنية القطب العضوي.

تُعد شركة السيارات الألمانية ثاني أكبر منتج للسيارات في العالم، بعد تويوتا فقط. كانت الشركة، لفترة من الوقت، متأخرة في تكنولوجيا السيارات الكهربائية لكنها عملت بجد لتلحق بالركب منذ ذلك الحين، لا سيما من خلال سلسلة سيارات ID وعدة نماذج هجينة.

المصدر: Volkswagen

التعاون مع باحثي MIT هو مجرد أحد العديد من التعاونات، مع شراكات أخرى حول السيارات الكهربائية تشمل:

• استثمار بقيمة 700 مليون دولار في شركة Xpeng الصينية لتعزيز مبيعات السيارات الكهربائية في الصين
• شراكة مع شركة SAIC Motor الصينية لتوريد منصات السيارات الكهربائية إلى فولكسفاغن
• شراكة مع Jetta Motor للحصول على تقنية السيارات الكهربائية
• شراكة بقيمة 492 مليون دولار مع شركة Magna لإحياء علامة Scout الأيقونية كسيارة كهربائية

سيارات Scout – المصدر: فولكسفاغن

مع خططها الطموحة فيما يتعلق بالسيارات الكهربائية وإمكانية الوصول إلى تقنيات السيارات الكهربائية المتقدمة من الشركات الصينية الرائدة، تقع فولكسفاغن في موقع جيد للنظر في تقنية القطب العضوي التي تم تسجيل براءة اختراع لها من MIT والعمل على نشرها على نطاق واسع في سياراتها الكهربائية المستقبلية.

قد تنظر في الوقت نفسه إلى التركيز أولاً على السيارات الهجينة والحفاظ على سيارات الاحتراق الداخلي لفترة أطول من المخطط الأصلي للحفاظ على “المرونة”.

يمكنك قراءة المزيد عن فولكسفاغن واستراتيجيتها للسيارات الكهربائية، بما في ذلك إصلاح مشكلات البرمجيات عبر صفقة مع Rivian، وتوحيد بنية السيارات الكهربائية عبر مجموعة فولكسفاغن وعلاماتها التجارية في “فولكسفاغن تغلق مصنعاً في ألمانيا؟ ما التالي للشركة المتعثرة؟”.

مرجع الدراسة:

^{1. Chen, T., Wang, J., Tan, B., Zhang, K. J., Banda, H., Zhang, Y., Kim, D.-H., & Dincă, M. (2025). بطاريات صوديوم‑أيون عالية الطاقة وعالية القدرة من قطب عضوي طبقي. Journal of the American Chemical Society, 147(7), 6181–6192. https://doi.org/10.1021/jacs.4c17713}