إنجاز 4D STEM من جامعة ميزوري: تحسين كفاءة البطاريات ذات الحالة الصلبة

تكتسب البطاريات ذات الحالة الصلبة أهمية كبيرة هذه الأيام، حيث تكتسب زخمًا متزايدًا في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية والمركبات الكهربائية، وتشكل الحصة الأكبر من سوق البطاريات ذات الحالة الصلبة العالمية في عام 2022.

ويقدر الباحثون أن تطبيقات البطاريات ذات الحالة الصلبة في قطاع المركبات الكهربائية سوف تنمو بشكل كبير في العقد المقبل، لتصل إلى حجم سوق يبلغ 4.3 مليار دولار أمريكي من 2032هناك أسباب تجعل البطاريات ذات الحالة الصلبة تستعد من أجل تحقيق نمو هائل. وهي تشير في الأساس إلى تقنية البطاريات التي تستخدم إلكتروليتًا صلبًا بدلاً من الإلكتروليتات السائلة، كما هو مستخدم في تقنية أيونات الليثيوم. 

تتكون خلايا الحالة الصلبة من كاثود وفاصل وأنود. يمكن أن يكون الكاثود مصنوع مع نفس المركبات الموجودة في بطارية ليثيوم أيون. وعلى النقيض من ذلك، فإن الفاصل يتم تصنيعها عموما من السيراميك أو البوليمر الصلب، والذي يعمل أيضًا كإلكتروليت. الأنود يرصد من معدن الليثيوم. 

عند شحن هذه البطاريات، تنتقل جزيئات الليثيوم من الكاثود عبر البنية الذرية للفاصل والتلامس الكهربائي للأنود، مُشكّلةً طبقة صلبة من الليثيوم النقي. تضمن هذه العملية أن يتكون الأنود من جزيئات الليثيوم فقط، وأن يكون حجمه أصغر من أنود تقنية أيونات الليثيوم ذي البنية الجرافيتية. 

على الرغم من أن هذه البطاريات لا يزالون في مرحلة نموهموعدت هذه البطاريات بتحسينات متعددة مقارنة بالبطاريات الحالية، بما في ذلك كثافة طاقة أكبر، وعمر أطول، وسلامة محسنة، وحجم أصغر. وقد جعلت التوقعات الواعدة التي توفرها بطاريات الحالة الصلبة منها مساحة جذابة للعلماء لاستكشاف المزيد ومعرفة ما يمكن أن تقدمه. تتم معها.

يزعم بيان صحفي صدر مؤخرًا حول بحث أجرته جامعة مينيسوتا أن الباحثين "فك شفرة البطاريات ذات الحالة الصلبةوفي الأجزاء القادمة، سننظر في الأسباب التي تدفع إلى هذا الادعاء الكبير. 

ما حققه باحثو جامعة مينيسوتا

البحث بعنوان "الفهم" تكوين الطور البيني بين الكاثود والإلكتروليت في بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة عبر تقنية 4D-STEM¹يوضح سير عمل بسيط لدراسة تكوين الطور البيني للكاثود والإلكتروليت (CEI) باستخدام المجهر الإلكتروني الناقل الماسح رباعي الأبعاد (4D-STEM) الذي لا يتطلب تجميع SS-LIB.

عند نقاط التلامس بين الإلكتروليت الصلب والمادة النشطة للكاثود في بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة، تتشكل طبقات الطور البيني، مما يزيد من معاوقة الخلية. يزيل الباحثون الحاجة إلى تجميع SS-LIB ويظهرون فوائد MoCl5:EtOH كعامل كيميائي لإزالة الليثيوم، جنبًا إلى جنب مع مسحوق الكاثود المنزوع الليثيوم كيميائيًا LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) على اتصال بمسحوق SE Li10GeP2S12 (LGPS)، كبديل لـ SS-LIB CEI.

قام الباحثون برسم خريطة لتركيبة وبنية طبقات CEI باستخدام 4D-STEM، وتقنية التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS)، تحليل دالة توزيع أزواج الإلكترونات (ePDF). تشير النتائج التي توصلوا إليها إلى أن الطلاءات التي تمنع نقل الأنيونات مع السماح بنقل أيونات الليثيوم والإلكترون قد تمنع تكوين الطور البيني وتقلل من المعاوقة في بطاريات الليثيوم-أيون. 

وفي وصفه لطبيعة الطلاء، قال يونغ:

"يجب أن تكون الطلاءات رقيقة بما يكفي لمنع التفاعلات ولكن ليس سميكة جدًا بحيث تمنع تدفق أيونات الليثيوم. نهدف إلى الحفاظ على خصائص الأداء العالي لمواد الإلكتروليت والكاثود الصلبة. هدفنا هو استخدام هذه المواد معًا دون التضحية بأدائها من أجل التوافق."

قد تبدو كل هذه الأمور تقنية للغاية، ولكن هناك منظورًا أسهل للفهم فيما يتعلق بإنجاز البحث.

انقر هنا للتعرف على الاختراق الذي أحرزته البطاريات والذي يجعل المتغيرات ذات الحالة الصلبة أقرب إلى الواقع.

التعامل مع مشكلة الإلكتروليت السائل

تعتمد بطاريات الليثيوم أيون على الإلكتروليتات السائلة، والتي قد تشتعل في حالة تلفها أو ارتفاع درجة حرارتها. وقد عالج باحثو جامعة ميسوري هذه المشكلة من خلال تطوير تقنيات فعّالة لاستبدال الإلكتروليتات السائلة أو الهلامية بإلكتروليتات صلبة.

وفي شرحه لكيفية عمل حلولهم، قال الأستاذ المساعد ماثياس يونج، الذي يشغل مناصب مشتركة في كلية الهندسة وكلية الآداب والعلوم في جامعة ميسوري، ما يلي:

عندما يلامس الإلكتروليت الصلب الكاثود، يتفاعل ويشكل طبقة بينية يبلغ سمكها حوالي 100 نانومتر، أي أصغر بألف مرة من عرض شعرة الإنسان. تمنع هذه الطبقة أيونات الليثيوم والإلكترونات من الحركة بسهولة، مما يزيد من المقاومة ويؤثر سلبًا على أداء البطارية.

الاختراق الأكثر أهمية

كان الإنجاز الأهم لفريق البحث هو استخدامهم للمجهر الإلكتروني النافذ الماسح رباعي الأبعاد (4D STEM). وما أحدث ثورةً في هذا المجال هو قدرتهم على فحص البنية الذرية للبطارية دون تفكيكها، مما أتاح لهم فهمًا أساسيًا للتفاعلات الكيميائية داخلها وتحديد مدى الضرر الذي تُسببه طبقة الطور البيني. 

ومن وجهة نظر المستخدمين المحتملين لهذه البطاريات، فإن البحث وتداعياته يحمل إمكانات كبيرة. 

الفوائد المتوقعة في العالم الحقيقي

إن شركات صناعة السيارات العالمية متحمسة للغاية لاستخدام البطاريات ذات الحالة الصلبة لأنها ستوفر قدراً أعظم من الأمان والاستقرار الحراري. والواقع أن البحث الذي ناقشناه للتو يشكل اختراقاً في هذا الاتجاه ــ خطوة بالغة الأهمية إلى الأمام. وعلاوة على ذلك، قد يؤدي البحث إلى تحسينات في السلامة والأداء وعمر البطاريات وتكلفتها وتأثيرها البيئي. 

ويشعر علماء البطاريات في مختلف أنحاء العالم بالتفاؤل بأن الجيل الجديد من البطاريات ذات الحالة الصلبة، والتي سوف تظهر نتيجة لأبحاث مثل هذه، سوف يتغلب في نهاية المطاف على عيبين رئيسيين في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. فالكاثودات الغنية بالنيكل سوف تمكن صناعة البطاريات من استخدام كميات أقل من الكوبالت في الكاثود. وثانياً، سوف تمكن كيمياء الحالة الصلبة صناع البطاريات من استخدام معدن الليثيوم في الأنود.

العامل الأول حاسم لنمو هذا القطاع لأن الكوبالت نادر ومكلف ويصعب استخراجه. ويأتي من دول لديها قوانين تعدين ضعيفة. ويعتقد الباحثون أن نطاق استخدام الليثيوم في الأنود مهم لأنه يعزز كثافة الطاقة ويعزز السلامة.

عند الحديث عن استخدام معدن الليثيوم، هيلينا براغا، أستاذ مشارك في الفيزياء الهندسية في جامعة بورتو في البرتغال وباحث معروف عمل مع جائزة نوبل الفائز جون جودناو قبل عقد من الزمان، قال أحد الباحثين في مجال البطاريات الصلبة:

"لهذا السبب بدأنا هذه الرحلة (الحالة الصلبة) في المقام الأول - حتى نتمكن من استخدام معدن الليثيوم."

وبشكل عام، يمكن أن تؤدي هذه التكنولوجيا والتقنية القائمة على البحث إلى تحسين تصميمات البطاريات مع تعزيز الأداء والسلامة، مما قد يؤثر على الإلكترونيات الاستهلاكية والمركبات الكهربائية في غضون 3 إلى 7 سنوات.

ومع ذلك، فإن القيمة الحقيقية لمثل هذا البحث تعتمد على مدى نجاح الشركات والمؤسسات التي تصنع البطاريات الصلبة في تبنيها وتطويرها على نطاق واسع. في المقطع التالي، نناقش إحدى هذه الشركات، شركة سوليد باور (SLDP 0%)، المتخصصة في تكنولوجيا البطاريات ذات الحالة الصلبة بالكامل، مع التركيز على حلول تخزين الطاقة الأكثر أمانًا وكفاءة.

شركة سوليد باور (SLDP 0%) 

تضع شركة Solid Power نفسها كمزود لـ تقنية خلايا البطارية ذات الحالة الصلبة بالكامل والتي تقدم تحسينات رئيسية مقارنة بتكنولوجيا أيونات الليثيوم السائلة التقليدية الحالية والخلايا الهجينة من الجيل التالي، بما في ذلك الطاقة العالية والسلامة المحسنة والعمر الأطول وتوفير التكاليف. 

تتيح بطاريات Solid Power استخدام أقطاب كهربائية عالية السعة، مثل السيليكون عالي المحتوى ومعدن الليثيوم، لتحقيق أداء عالي الطاقة. وتُصبح هذه البطاريات أكثر أمانًا من خلال الاستغناء عن المكونات السائلة والهلامية التفاعلية والمتطايرة. ونتيجة لذلك، تتمتع هذه البطاريات بقدرة تحمل عالية وفعالية عالية في درجات الحرارة العالية جدًا. وتعتقد الشركة أن بطارياتها توفر ميزة تكلفة تتراوح بين 15% و35% مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون الحالية عند مستوى العبوة. 

في الأجزاء القادمة، سنناقش الأنواع الثلاثة من بطاريات الحالة الصلبة الخاصة بشركة Solid Power. 

خلية سيليكون EV 

تأتي هذه الخلايا مع أنود سيليكون عالي المحتوى مما يوفر معدلات شحن عالية وقدرات درجات حرارة منخفضة. هذه البطاريات يتم تشغيلها بفضل إلكتروليتات الشركة الصلبة المصنوعة من الكبريتيد. وأخيرًا، يُعدّ كاثود NMC معيارًا صناعيًا وناجحًا تجاريًا. 

معدن الليثيوم

تأتي بطاريات الليثيوم المعدنية ذات الطاقة الصلبة مع معدن الليثيوم وأنود عالي الطاقة. هذه الفئة من البطاريات كما أنها تعمل بالطاقة من خلال الإلكتروليتات الصلبة المعتمدة على الكبريتيد والمملوكة لشركة Solid Power وكاثودات NMC القياسية في الصناعة والناضجة تجاريًا. 

خلية رد فعل التحويل 

أخيرًا، نصل إلى فئة خلايا تفاعل التحويل من البطاريات التي تأتي مع معدن الليثيوم، وأنود عالي الطاقة، وإلكتروليتات صلبة تعتمد على الكبريتيد منخفضة التكلفة للغاية، وكاثود من نوع التحويل عالي الطاقة النوعية. 

تعتمد تقنية بطاريات Solid Power على الإلكتروليتات الصلبة القائمة على الكبريتيد كأحد أقوى أسسها. تضمن هذه التقنية الإزالة التامة لطبقة الإلكتروليت السائل القابل للاشتعال وطبقة فاصل البوليمر في بطاريات الليثيوم أيون التقليدية. ويحل محل إنها تحتوي على طبقة صلبة تعمل، على الرغم من كونها رقيقة، كحاجز لمنع الأنود والكاثود من ملامسة بعضهما البعض، مما قد يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي في البطارية. كما تعمل كإلكتروليت موصل. يأتي الإلكتروليت الصلب القائم على الكبريتيد من Solid Power بأفضل مزيج من التوصيل وقابلية التصنيع والأداء على مستوى الخلية. 

تستخدم تقنية الإلكتروليتات الصلبة القائمة على الكبريتيد من شركة سوليد باور موادًا متوفرة بكثرة في الأرض. وتتوقع الشركة توسيع نطاق إنتاجها من الإلكتروليتات لتشغيل 800,000 مركبة كهربائية سنويًا باستخدام خلايا بطارياتها الصلبة بالكامل بحلول عام 2028.

SLDP: آخر التحديثات

في ديسمبر 2024، أعلنت شركة Solid Power عن تمديد شراكتها مع فورد حتى عام 2025يعكس التعديل الثالث لاتفاقية التطوير المشترك الالتزام المستمر بين شركة Solid Power وشركة Ford لدفع حدود أداء بطارية السيارة الكهربائية إلى الأمام. 

أشارت التقارير إلى أن تمديد الشراكة يُعدّ خطوةً مهمةً في جهود شركة سوليد باور نحو تسويق تقنيتها الخاصة ببطاريات الحالة الصلبة. وقد أبرز تمديد الشراكة مع شركة فورد، الشركة العالمية الرائدة في صناعة السيارات، التأثيرَ المُحتمل لتقنية سوليد باور على صناعة السيارات.

في يناير 2025، دخلت الشركة في اتفاقية مالية مهمة مع وزارة الطاقة الأمريكية (DOE). أعلنت الشركة أنها حصلت على تمويل يصل إلى 50 مليون دولار لتعزيز قدراتها الإنتاجية لمادة الإلكتروليت الصلبة القائمة على الكبريتيد، والتي تعد ضرورية للبطاريات من الجيل التالي.

وجاء التمويل كجزء من اتفاقية المساعدة التي دخلت حيز التنفيذ في الأول من يناير 1، والتي نصت على أن تساهم شركة Solid Power بمبلغ 2025 مليون دولار من أموالها كجزء من ترتيب تقاسم التكاليف. كان الهدف في دعم تركيب المعدات اللازمة للإنتاج المستمر، والتي متوقع لتعزيز حجم التصنيع للشركة.

كجزء من الاتفاقية، شركة Solid Power كان مطلوبا الالتزام بمتطلبات الإبلاغ المحددة والتزامات الامتثال. وقد أبرز دعم وزارة الطاقة أهمية تطوير تكنولوجيا البطاريات لتخزين الطاقة والمركبات الكهربائية، وهما قطاعان أساسيان للانتقال إلى اقتصاد منخفض الكربون.

وكانت شراكة الشركة مع وزارة الطاقة بمثابة خطوة استراتيجية في تسريع تسويق بطاريات الحالة الصلبة، والتي وعدت بكثافة طاقة أعلى وسلامة محسنة وعمر أطول مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية.

وعلى الصعيد المالي، حققت شركة Solid Power إيرادات بلغت 20.1 مليون دولار في الإيرادات خلال عام 2024، بزيادة قدرها 2.7 مليون دولار مقارنة بعام 2023. بلغت النفقات التشغيلية 125.5 مليون دولار في عام 2024، ارتفاعًا من 108.0 مليون دولار في عام 2023، مدفوعة بزيادة تكاليف البحث والتطوير لتحسين أداء تصميمات الإلكتروليت والخلايا، وإنتاج الإلكتروليت، وشراء المعدات التي تدعم اتفاقيات SK On، وتوسيع نطاق العمليات، بما في ذلك إنشاء العمليات الكورية. بلغت الخسارة التشغيلية لعام 2024 105.3 مليون دولار، بينما بلغت الخسارة الصافية 96.5 مليون دولار، أو 0.54 دولار للسهم.

"في عام 2025، ستواصل Solid Power دفع تطوير تكنولوجيا ASSB إلى الأمام من خلال تحسين أداء الإلكتروليت من خلال ردود الفعل من فريق تطوير الخلايا لدينا، وتنفيذ متطلبات الشركاء وطلبات العملاء، ومواصلة الابتكار في كل من تقنيات الإلكتروليت والخلايا، والحفاظ على الانضباط المالي مع الاستثمار الاستراتيجي في التطوير والقدرات."

- جون فان سكوتير، الرئيس والمدير التنفيذي لشركة Solid Power

البطارية ذات الحالة الصلبة: نظرة إلى المستقبل

يبدو مستقبل البطاريات ذات الحالة الصلبة مثيرًا للاهتمام، ومليئًا بإمكانات الابتكار. ففي عام 2024، على سبيل المثال، سيتمكن باحثون من كلية جون أ. بولسون للهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد من تطوير بطارية جديدة. تم تطوير بطارية ليثيوم معدنية جديدة التي يمكن أن أن تكون مشحونة ويمكن تفريغها على الأقل 6,000 مرة - أكثر من أي خلية بطارية جيبية أخرى - ويمكن إعادة شحنها في غضون دقائق.

وفقًا لما قاله شين لي، الأستاذ المشارك في علوم المواد في SEAS والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية التي تفصل البحث والتي نُشرت في Nature Materials:

بطاريات أنود الليثيوم المعدنية مأخوذة في عين الأعتبار الكأس المقدسة للبطاريات لأنها تتمتع بسعة أكبر بعشر مرات من أنودات الجرافيت التجارية ويمكن أن تزيد بشكل كبير من مسافة القيادة للسيارات الكهربائية.

في بحثهم، أوقف لي وفريقه تكوين الشجيرات الشجرية باستخدام جزيئات السيليكون بحجم الميكرون في الأنود لتضييق تفاعل الليثيوم وتسهيل الطلاء المتجانس لطبقة سميكة من معدن الليثيوم. عندما تنتقل أيونات الليثيوم من الكاثود إلى الأنود أثناء الشحن، فإن تفاعل الليثيوم تم تضييقه على السطح الضحل، وتم ربط الأيونات بسطح جسيم السيليكون دون اختراقها بشكل أكبر. 

"في تصميمنا، يتم لف معدن الليثيوم حول جزيء السيليكون، مثل قشرة الشوكولاتة الصلبة حول قلب البندق في حلوى الشوكولاتة."

- لي

تشكل الجزيئات المطلية سطحًا متجانسًا، مما يضمن توزيعًا متساويًا لكثافة التيار ويمنع نمو الشجيرات. ولأن الطلاء والتقشير يمكن أن يحدثا بسرعة على سطح مستوٍ، يمكن إعادة شحن البطارية في حوالي 10 دقائق فقط. 

قام الباحثون بتطوير نسخة من البطارية بحجم طابع بريدي، أكبر من الخلية المعدنية المصنعة في أغلب مختبرات الجامعات بحوالي 10 إلى 20 مرة. احتفظت البطارية بنسبة 80% من سعتها بعد 6,000 دورة، متفوقة على بطاريات الخلايا الجيبية الأخرى التي تنتمي إلى نفس الفئة. وفي هذه العملية، كشف الباحثون عن العشرات من المواد الأخرى التي يمكن أن يحتمل إعطاء أداء مماثل. وفقا للي:

"وكانت الأبحاث السابقة قد توصلت إلى أن مواد أخرى، بما في ذلك الفضة، يمكن أن تكون بمثابة مواد جيدة عند الأنود للبطاريات ذات الحالة الصلبة."

ولجعل العملية عالمية، نشر فريق من الباحثين ورقة بحثية حول تقييم إمكانية إعادة إنتاج أداء خلايا البطارية ذات الحالة الصلبة بالكامل.² ولاحظ الباحثون أن لم يكن من المفهوم جيدًا إمكانية المقارنة بين المختبرات وإمكانية إعادة إنتاج أداء دورة خلايا البطارية ذات الحالة الصلبة بالكامل بسبب عدم وجود إعدادات موحدة ومعايير تجميع.

واقترح الباحثون مجموعة من المعايير للإبلاغ عن نتائج دورة البطارية ذات الحالة الصلبة بالكامل، ودعوا إلى الإبلاغ عن البيانات في ثلاث نسخ. على سبيل المثال، كان جهد الدائرة المفتوحة الأولي البالغ 2.5 و2.7 فولت مقابل Li+/Li مؤشرًا جيدًا للدورة الناجحة للخلايا التي تستخدم هذه المواد النشطة كهربائيًا.

إن توحيد معايير تصنيع البطاريات ذات الحالة الصلبة أمر بالغ الأهمية لأن قابلية استخدامها متنوعة. وفي حين أن مصنعي السيارات الكهربائية هم من بين الأكثر اهتمامًا بتطوير بطاريات ذات حالة صلبة فعالة، إلا أن أفاد باحثو وكالة ناسا أنهم أحرزوا تقدمًا مع تطوير حزمة بطارية مبتكرة أخف وزنا وأكثر أمانا وأداء أفضل من البطاريات المستخدمة عادة في المركبات والإلكترونيات الكبيرة اليوم. 

أجرى باحثو وكالة ناسا تجارب على مواد جديدة مبتكرة لم يتم استخدامه بعد في البطاريات. كان الفريق في وقت مبكر من إدراك أن بنية الحالة الصلبة سمحت لهم بتغيير بناء البطارية وتغليفها، مما أدى إلى تقليل الوزن مع زيادة سعة تخزين الطاقة. لقد أثبتوا أن بطاريات الحالة الصلبة يمكنها تشغيل الأشياء بسعة هائلة تبلغ 500 واط في الساعة لكل كيلوغرام - ضعف سعة السيارة الكهربائية.

"لا يعمل هذا التصميم على التخلص من 30 إلى 40 في المائة من وزن البطارية فحسب، بل يسمح لنا أيضًا بمضاعفة أو حتى مضاعفة الطاقة التي يمكنها تخزينها، وهو ما يتجاوز بكثير قدرات بطاريات الليثيوم أيون التي مأخوذة في عين الأعتبار "أن تكون على أحدث طراز."

– روكو فيجيانو، الباحث الرئيسي في SABERS

SABERS هو اختصار للنشاط المخصص من قبل وكالة ناسا، "بطاريات البنية التحتية ذات الحالة الصلبة لتعزيز إمكانية إعادة الشحن والسلامة".

وكما يوحي الاسم، فإن مستقبل البطاريات ذات الحالة الصلبة سوف يزدهر بفضل جوانب مثل سرعة إعادة الشحن والسلامة. وسوف يتطلع المصنعون بشكل متزايد إلى تطوير بطاريات يمكن إعادة شحنها بشكل أسرع دون جعل العملية غير آمنة.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل 5 مخزونات بطاريات الحالة الصلبة.