الطاقة
اختراق 4D-STEM في ميسو: تعزيز كفاءة بطاريات الحالة الصلبة
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
تُعد بطاريات الحالة الصلبة محط الأنظار في هذه الأيام. إنها تكتسب زخماً تدريجياً في الإلكترونيات الاستهلاكية والمركبات الكهربائية، وتشكل الحصة الأكبر من سوق بطاريات الحالة الصلبة العالمي في عام 2022.
يقدّر الباحثون أن تطبيقات بطاريات الحالة الصلبة في قطاع المركبات الكهربائية ستنمو بشكل أسي خلال العقد القادم، لتصل إلى حجم سوق يبلغ US$4.3 مليار بحلول عام 2032. هناك أسباب تجعل بطاريات الحالة الصلبة مستعدة للنمو الأسي. أساساً، هي تقنية بطارية تستخدم إلكتروليت صلب بدلاً من الإلكتروليتات السائلة المستخدمة في تقنية الليثيوم أيون.
تتكون خلايا الحالة الصلبة من قطب موجب (كاثود)، فاصل، وقطب سالب (أنود). يمكن أن يُصنع الكاثود بنفس المركبات المستخدمة في بطارية الليثيوم أيون. بالمقابل، يُصنع الفاصل عادةً من السيراميك أو البوليمر الصلب، والذي يعمل أيضاً كإلكتروليت. يُصنع الأنود من معدن الليثيوم.
عند الشحن، تتحرك جزيئات الليثيوم داخل هذه البطاريات من الكاثود عبر البنية الذرية للفاصل والاتصال الكهربائي للأنود، مكونة طبقة صلبة من الليثيوم النقي. تضمن العملية أن يتكون الأنود من جزيئات الليثيوم فقط ويكون حجمه أصغر مقارنةً بالأنود في تقنية الليثيوم أيون الذي يحتوي على بنية جرافيت.
على الرغم من أن هذه البطاريات ما زالت في مرحلة التطوير، فإنها تعد بتحسينات متعددة مقارنةً بالبطاريات الحالية، بما في ذلك كثافة طاقة أعلى، عمر أطول، أمان محسّن، وحجم أصغر. إن النظرة الواعدة التي تقدمها بطاريات الحالة الصلبة جعلتها مجالاً جذاباً للعلماء لاستكشافه ومعرفة ما يمكن القيام به معها.
أعلنت بيان صحفي حديث عن بحث في جامعة مينيسوتا أن الباحثين “يحلّون شفرة بطاريات الحالة الصلبة”. في الفقرات القادمة، سنستعرض الأسباب التي تدفع هذا الادعاء الجريء.
ما حققه باحثو جامعة مينيسوتا
البحث، بعنوان تكوين الواجهة بين القطب الموجب والإلكتروليت في بطاريات الليثيوم أيون الصلبة عبر 4D-STEM1، يوضح سير عمل بسيط لدراسة تكوين الواجهة بين القطب الموجب والإلكتروليت (CEI) باستخدام المجهر الإلكتروني الناقل للماسح الضوئي رباعي الأبعاد (4D-STEM) دون الحاجة إلى تجميع بطاريات الحالة الصلبة (SS-LIB).
عند نقاط الاتصال بين الإلكتروليت الصلب ومادة القطب الموجب النشطة في بطاريات الليثيوم أيون الصلبة، تتشكل طبقات الواجهة، مما يزيد من مقاومة الخلية. يلغي الباحثون الحاجة إلى تجميع SS-LIB ويظهرون فوائد MoCl5:EtOH كعامل كيميائي لإزالة الليثيوم، إلى جانب مسحوق القطب الموجب LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) المُزال منه الليثيوم كيميائياً والمتصل بمسحوق Li10GeP2S12 (LGPS) كإلكتروليت صلب، كبديل للواجهة في SS-LIB.
قام الباحثون برسم خريطة التركيب والبنية لطبقات CEI باستخدام 4D-STEM، وتحليل طيف الأشعة السينية المتشتت للطاقة (EDS)، وتحليل دالة توزيع أزواج الإلكترونات (ePDF). تشير نتائجهم إلى أن الطلاءات التي تمنع نقل الأنيونات مع السماح بنقل أيونات الليثيوم والإلكترونات قد تمنع تكوين الواجهة وتقلل المقاومة في بطاريات SS-LIB.
أثناء وصف طبيعة الطلاء، قال يانغ:
«يجب أن تكون الطلاءات رقيقة بما يكفي لمنع التفاعلات ولكن ليست سميكة لدرجة أنها تمنع تدفق أيونات الليثيوم. نحن نسعى للحفاظ على خصائص الأداء العالي للإلكتروليت الصلب ومواد القطب الموجب. هدفنا هو استخدام هذه المواد معًا دون التضحية بأدائها من أجل التوافق.»
قد يبدو كل هذا تقنياً للغاية، لكن هناك منظور أسهل لفهم إنجاز البحث.
انقر هنا لتعرف عن اختراق بطارية يقرب نماذج الحالة الصلبة خطوةً إلى الواقع.
معالجة مشكلة الإلكتروليت السائل
تعتمد بطاريات الليثيوم أيون على إلكتروليتات سائلة، يمكن أن تشتعل إذا تعرضت للضرر أو السخونة الزائدة. عالج باحثو جامعة ميسوري هذه المشكلة من خلال تطوير تقنيات فعّالة لاستبدال الإلكتروليتات السائلة أو الهلامية بإلكتروليتات صلبة.
مُوضحاً كيف يعمل حلهم، قال الأستاذ المساعد ماتياس يانغ، الذي يشغل مناصب مشتركة في كلية الهندسة وكلية الفنون والعلوم بجامعة ميسو:
«عندما يلامس الإلكتروليت الصلب القطب الموجب، يتفاعل ويشكل طبقة واجهة بسمك حوالي 100 نانومتر — أي أصغر بألف مرة من عرض شعرة بشرية واحدة. هذه الطبقة تمنع أيونات الليثيوم والإلكترونات من التحرك بسهولة، مما يزيد المقاومة ويؤثر سلباً على أداء البطارية.»
أهم اختراق
مع ذلك، كان أهم إنجاز لفريق البحث هو استخدامهم للمجهر الإلكتروني الناقل للماسح الضوئي رباعي الأبعاد (4D STEM). ما جعل ذلك ثورياً هو قدرتهم على فحص البنية الذرية للبطارية دون تفكيكها، مما مكنهم من الحصول على فهم أساسي للتفاعلات الكيميائية داخلها وتحديد مدى الضرر الذي تسببت به طبقة الواجهة.
من منظور المستخدمين المحتملين لهذه البطاريات، يحمل البحث وتبعاته إمكانات كبيرة.
الفوائد المتوقعة في العالم الحقيقي
تتحمس شركات تصنيع السيارات العالمية للبطاريات الصلبة لأنها ستوفر أماناً أكبر وثباتاً حرارياً. البحث الذي ناقشناه للتو يُعد اختراقاً في هذا الاتجاه—خطوة ذات معنى كبير إلى الأمام. علاوة على ذلك، قد يؤدي البحث إلى تحسينات في الأمان، الأداء، عمر البطاريات، التكلفة، وتأثيرها البيئي.
يتفائل علماء البطاريات حول العالم بأن الفئة الجديدة من بطاريات الحالة الصلبة، التي ستظهر نتيجة أبحاث مثل هذه، ستتغلب في النهاية على عيبين رئيسيين للبطاريات التقليدية الليثيوم أيون. ستمكن الكاثودات الغنية بالنيكل الصناعة من استخدام كميات أقل من الكوبالت في الكاثود. ثانياً، ستمكن الكيميائيات الصلبة صانعي البطاريات من استخدام معدن الليثيوم في الأنود.
العامل الأول حاسم لنمو هذا القطاع لأن الكوبالت نادر، مكلف، وصعب الاستخراج. يأتي من دول ذات قوانين تعدين ضعيفة. يعتقد الباحثون أن نطاق استخدام الليثيوم في الأنود كبير لأنه يعزز كثافة الطاقة ويعزز الأمان.
متحدثةً عن استخدام معدن الليثيوم، Helena Braga، أستاذة مشاركة في الفيزياء الهندسية بجامعة بورتو في البرتغال وباحثة معروفة عملت معجائزة نوبل الفائز John Goodenough في مجال بطاريات الحالة الصلبة قبل عقد من الزمن، قالت:
«هذا هو السبب الذي جعلنا نبدأ هذه الرحلة (الحالة الصلبة) في المقام الأول—لكي نتمكن من استخدام معدن الليثيوم.»
بشكل عام، يمكن لهذه التقنية والأسلوب القائم على البحث أن يؤدي إلى تحسين تصاميم البطاريات مع أداء وأمان محسّن، مما قد يؤثر على الإلكترونيات الاستهلاكية والمركبات الكهربائية خلال 3-7 سنوات.
مع ذلك، ستعتمد القيمة الحقيقية لمثل هذا البحث على مدى نجاح الشركات والمؤسسات المصنعة لبطاريات الحالة الصلبة في تبنيها وتوسيع نطاقها. في الفقرة التالية، نناقش إحدى هذه الشركات، Solid Power, Inc. (SLDP ), التي تتخصص في تقنية بطاريات الحالة الصلبة الكاملة، مع التركيز على حلول تخزين الطاقة الأكثر أمانًا وكفاءة.
Solid Power, Inc. (SLDP )
تضع Solid Power نفسها كمزود لـ تقنية خلايا بطاريات الحالة الصلبة الكاملة التي تقدم تحسينات رئيسية مقارنةً بتقنية الليثيوم أيون السائلة التقليدية اليوم وخلايا الجيل التالي الهجينة، بما في ذلك طاقة عالية، أمان محسّن، عمر أطول، وتوفير في التكلفة.
تسمح بطاريات Solid Power باستخدام أقطاب ذات سعة أعلى مثل السيليكون عالي المحتوى ومعدن الليثيوم لتحقيق أداء عالي الطاقة. تصبح أكثر أمانًا بإزالة الحاجة إلى المكونات السائلة والمتقلبة. نتيجة لذلك، يمكنها التحمل والعمل في درجات حرارة مرتفعة للغاية. تعتقد الشركة أن بطارياتها يمكن أن تقدم ميزة تكلفة تتراوح بين 15-35٪ مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون الحالية على مستوى الحزمة.
في الفقرات القادمة، سنناقش الأنواع الثلاثة لبطاريات Solid Power الصلبة.
خلية سيليكون للمركبة الكهربائية
تأتي هذه الخلايا بقطب سالب (أنود) عالي المحتوى من السيليكون يوفّر معدلات شحن عالية وقدرات حرارة منخفضة. تُشغَّل هذه البطاريات بواسطة إلكتروليتات صلبة قائمة على الكبريتيد مملوكة للشركة. أخيراً، كاثود NMC الخاص بها هو معيار صناعي وناضج تجارياً.
معدن الليثيوم
تأتي بطاريات Solid Power من فئة معدن الليثيوم بمعدن الليثيوم وقطب سالب عالي الطاقة. تُشغَّل هذه الفئة من البطاريات أيضًا بواسطة إلكتروليتات صلبة قائمة على الكبريتيد مملوكة للشركة، وكاثودات NMC معيارية وصناعية ناضجة.
خلية التفاعل التحويلي
أخيراً، نصل إلى فئة خلايا التفاعل التحويلي التي تأتي بمعدن الليثيوم، قطب سالب عالي الطاقة، إلكتروليتات صلبة قائمة على الكبريتيد منخفضة التكلفة للغاية، وكاثود تحويل نوعي عالي الطاقة النوعية.
تُعد تقنية بطاريات Solid Power التي تعتمد على إلكتروليتات صلبة قائمة على الكبريتيد أحد أهم أسسها. تضمن التقنية الإزالة الكاملة للإلكتروليت السائل القابل للاشتعال وطبقة الفاصل البوليمري في بطارية الليثيوم أيون التقليدية وتستبدلها بطبقة صلبة، على الرغم من رقتها، تعمل كحاجز لمنع تلامس الأنود والكاثود معًا، مما قد يسبب قصرًا في الدائرة. كما تعمل كإلكتروليت موصل. توفر إلكتروليتات الكبريتيد الصلبة من Solid Power أفضل مزيج من التوصيل، القابلية للتصنيع، وأداء الخلية على المستوى.
تستخدم تقنية الإلكتروليت الصلب الأساسية القائمة على الكبريتيد من Solid Power مواداً وفيرة على الأرض. تتوقع الشركة توسيع إنتاج الإلكتروليت لتزويد 800,000 مركبة كهربائية بخلايا بطاريات الحالة الصلبة بالكامل سنوياً بحلول عام 2028.
SLDP: آخر التحديثات
في ديسمبر 2024، أعلنت Solid Power عن تمديد شراكتها مع شركة فورد حتى عام 2025. يعكس التعديل الثالث على اتفاقية التطوير المشترك الالتزام المستمر بين Solid Power وفورد لدفع حدود أداء بطاريات المركبات الكهربائية إلى الأمام.
أشارت التقارير إلى أن تمديد الشراكة يُعد خطوة هامة لعمل Solid Power نحو تجاريّة تقنية بطاريات الحالة الصلبة. وأبرزت الشراكة الموسعة مع فورد، الشركة الرائدة عالمياً في صناعة السيارات، الأثر المحتمل لتقنية Solid Power على صناعة السيارات.
في يناير 2025، دخلت الشركة في اتفاقية مالية هامة مع وزارة الطاقة الأمريكية (DOE). أعلنت الشركة أنها حصلت على تمويل يصل إلى 50 مليون دولار لتعزيز قدراتها الإنتاجية لمادة الإلكتروليت الصلب القائمة على الكبريتيد، الضرورية للبطاريات الجيل التالي.
جاء التمويل كجزء من اتفاقية مساعدة سارية اعتباراً من 1 يناير 2025، والتي نصت على أن Solid Power ستساهم بمبلغ 60 مليون دولار من أموالها كجزء من ترتيب مشاركة التكاليف. كان الهدف من الاستثمار دعم تركيب المعدات اللازمة للإنتاج المستمر، وهو ما من المتوقع أن يعزز حجم التصنيع لدى الشركة.
كجزء من الاتفاقية، كان على Solid Power الالتزام بمتطلبات تقارير محددة والالتزامات التنظيمية. أبرز دعم وزارة الطاقة أهمية تقدم تكنولوجيا البطاريات لتخزين الطاقة والمركبات الكهربائية، وهي قطاعات حاسمة للتحول إلى اقتصاد منخفض الكربون.
كانت شراكة الشركة مع وزارة الطاقة خطوة استراتيجية لتسريع تجاريّة بطاريات الحالة الصلبة، التي تعد بزيادة كثافة الطاقة، تحسين الأمان، وإطالة عمر البطاريات مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية.
SLDP مخطط السعر
على الصعيد المالي، حققت Solid Power إيرادات قدرها 20.1 مليون دولار خلال عام 2024، بزيادة قدرها 2.7 مليون دولار مقارنةً بـ 2023. ارتفعت المصاريف التشغيلية إلى 125.5 مليون دولار في 2024، مقارنةً بـ 108.0 مليون دولار في 2023، نتيجة زيادة تكاليف البحث والتطوير لتحسين أداء الإلكتروليت وتصميم الخلايا، وإنتاج الإلكتروليت، وشراء المعدات الداعمة لاتفاقيات SK On، وتوسيع العمليات بما في ذلك إنشاء عمليات في كوريا. كان الخسارة التشغيلية لعام 2024 تبلغ 105.3 مليون دولار، بينما بلغت الخسارة الصافية 96.5 مليون دولار، أي 0.54 دولار للسهم.
«في عام 2025، ستستمر Solid Power في دفع تطوير تقنية ASSB إلى الأمام من خلال تحسين أداء الإلكتروليت بناءً على ملاحظات فريق تطوير الخلايا، تنفيذ متطلبات الشركاء وطلبات العملاء، الاستمرار في الابتكار في كل من تقنيتي الإلكتروليت والخلية، والحفاظ على الانضباط المالي مع الاستثمار الاستراتيجي في التطوير والقدرات.»
– جون فان سكوتير، الرئيس التنفيذي والرئيس التنفيذي لشركة Solid Power
بطارية الحالة الصلبة: نظرة إلى المستقبل
يبدو مستقبل بطاريات الحالة الصلبة مثيراً، مليئاً بإمكانات الابتكار. في عام 2024، على سبيل المثال، طور باحثون من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية جون أ. بولسون بجامعة هارفارد (SEAS) بطارية جديدة من معدن الليثيوم يمكن شحنها وتفريغها ما لا يقل عن 6,000 مرة — أكثر من أي خلية بطارية جيب أخرى — ويمكن إعادة شحنها في غضون دقائق.
«تُعتبر بطاريات الأنود من معدن الليثيوم «الكأس المقدسة» للبطاريات لأنها تمتلك سعة تزيد بعشر مرات عن الأنودات الجرافيتية التجارية ويمكن أن تزيد بشكل كبير من مسافة القيادة للمركبات الكهربائية.»
في بحثهم، أوقف لي وفريقه تكوين الشُعب باستخدام جزيئات سيليكون بحجم ميكروني في الأنود لتقليل تفاعل الليثيوم وتسهيل ترسيب طبقة سميكة من معدن الليثيوم بشكل متجانس. عندما انتقلت أيونات الليثيوم من القطب الموجب إلى الأنود أثناء الشحن، تم تقليل تفاعل الليثيوم على السطح الضحل، وتُركت الأيونات على سطح جزيء السيليكون دون اختراق أعمق.
«في تصميمنا، يلتف معدن الليثيوم حول جزيء السيليكون، مثل قشرة شوكولاتة صلبة حول نواة البندق في حلوى الشوكولاتة.»
– لي
شكلت الجزيئات المغلفة سطحاً متجانساً، مما يضمن توزيعاً متساوياً لكثافة التيار ويمنع نمو الشُعب. وبما أن الترسيب والخلع يمكن أن يحدثا بسرعة على سطح متساوٍ، فإن البطارية يمكن أن تُعاد شحنها في حوالي 10 دقائق.
طور الباحثون نسخة من البطارية بحجم ظرف بريد، أكبر 10 إلى 20 مرة من خلية العملة المعدنية المستخدمة في معظم مختبرات الجامعات. احتفظت البطارية بـ 80٪ من سعتها بعد 6,000 دورة، متفوقة على خلايا الجيب الأخرى في نفس الفئة. خلال العملية، كشف الباحثون عن العشرات من المواد الأخرى التي قد تُنتج أداءً مماثلاً. وفقاً للي:
«وجدت الأبحاث السابقة أن مواد أخرى، بما في ذلك الفضة، يمكن أن تكون مواداً جيدة للأنود في بطاريات الحالة الصلبة.»
لجعل العملية شاملة، نشر فريق من الباحثين ورقة حول تقييم قابلية إعادة إنتاج أداء خلايا بطاريات الحالة الصلبة بالكامل.2 لاحظ الباحثون أن قابلية المقارنة وإعادة الإنتاج بين المختبرات لأداء دورة خلايا بطاريات الحالة الصلبة كانت غير مفهومة جيداً بسبب نقص إعدادات موحدة ومعايير تجميع.
اقترح الباحثون مجموعة من المعايير لتقارير نتائج دورة بطاريات الحالة الصلبة وشجعوا على الإبلاغ عن البيانات ثلاث مرات. على سبيل المثال، كان الجهد المفتوح الأولي 2.5 و2.7 فولت مقابل Li+/Li مؤشرًا جيدًا على نجاح الدورة للخلايا التي تستخدم هذه المواد النشطة كهربائياً.
إن توحيد تصنيع بطاريات الحالة الصلبة أمر حاسم لأن استخدامها متنوع. بينما تكون شركات تصنيع المركبات الكهربائية من بين الأكثر اهتمامًا بتطوير بطاريات الحالة الصلبة الفعّالة، حتى باحثو ناسا أفادوا بتحقيق تقدم في تطوير حزمة بطارية مبتكرة أخف وزنًا وأكثر أمانًا وأداءً من البطاريات المستخدمة عادةً في المركبات والإلكترونيات الكبيرة اليوم.
جرّب باحثو ناسا موادًا جديدة مبتكرة لم تُستخدم بعد في البطاريات. أدرك الفريق مبكرًا أن بنية الحالة الصلبة تسمح لهم بتغيير بنية البطارية وتغليفها، مما يقلل الوزن بينما يزيد سعة تخزين الطاقة. أظهروا أن بطاريات الحالة الصلبة يمكنها تشغيل أشياء بسعة هائلة تبلغ 500 واط-ساعة لكل كيلوجرام — ضعف سعة سيارة كهربائية.
«ليس فقط أن هذا التصميم يزيل 30 إلى 40 بالمائة من وزن البطارية، بل يسمح لنا أيضًا بمضاعفة أو حتى ثلاثة أضعاف الطاقة التي يمكنها تخزينها، متجاوزًا بكثير قدرات بطاريات الليثيوم أيون التي تُعتبر من أحدث التقنيات.»
– روكو فيجيانو، الباحث الرئيسي في SABERS
SABERS هو اختصار لنشاط ناسا المسمى «بطاريات بنية الحالة الصلبة لتعزيز القابلية لإعادة الشحن والأمان».
كما يوحي الاسم، سيزدهر مستقبل بطاريات الحالة الصلبة بفضل هذه الجوانب من الشحن السريع والأمان. سيتطلع المصنعون بشكل متزايد إلى تطوير بطاريات تشحن أسرع دون تعريض العملية للخطر.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل 5 أسهم لبطاريات الحالة الصلبة للمراقبة أو الشراء.
مرجع الدراسة:
1. Paranamana, N. C., Werbrouck, A., Datta, A. K., He, X., & Young, M. J. (2024). فهم تكوين الواجهة بين القطب الموجب والإلكتروليت في بطاريات الليثيوم أيون الصلبة عبر 4D-STEM. Advanced Energy Materials، أول نشر: 23 ديسمبر 2024. https://doi.org/10.1002/aenm.202403904
2. Puls, S., Nazmutdinova, E., Kalyk, F., et al. (2024). تقييم قابلية إعادة إنتاج أداء خلايا بطاريات الحالة الصلبة بالكامل. Nature Energy, 9, 1310–1320. https://doi.org/10.1038/s41560-024-01634-3
