أكثر أمانًا، أرخص، وأكثر قوة؟ وعد بطاريات الألمنيوم

تُعد البطاريات عالية السعة التي تشحن بسرعة أكبر وتدوم لفترة أطول هي المفتاح لتشغيل مستقبل الإلكترونيات المحمولة، والمركبات الكهربائية، وتخزين الطاقة على المدى الطويل.

على مدار العقود القليلة الماضية، كانت بطاريات الليثيوم أيون هي الرائدة في هذا المجال. تُعد بطاريات الليثيوم أيون نوعًا من البطاريات القابلة لإعادة الشحن، حيث يتم شحنها وتفريغها من خلال حركة الأيونات بين الأقطاب الموجبة والسالبة، أي الأنودات والكاثودات.

المعدن الليثيوم المستخدم في هذه البطاريات ناعم، فضي، وعالي التفاعل. يمتلك أقل كثافة من بين جميع المعادن ويوجد في مركبات كمعدن، وتُعد تشيلي أكبر منتج له. كما أن تشيلي تمتلك أكبر احتياطيات الليثيوم، تليها أستراليا والصين؛ وتُعد الأخيرة أيضًا رائدة في بطاريات الليثيوم أيون.

في الواقع، تتطلب هذه البطاريات كميات هائلة من الماء والطاقة لإنتاجها. كما أنها صعبة جدًا في إعادة التدوير.

لذلك، بينما أثبتت بطاريات الليثيوم أيون أدائها في الإلكترونيات الاستهلاكية المحمولة مثل الهواتف الذكية، وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وغيرها من الأجهزة المحمولة، وكذلك في المركبات الكهربائية وأنظمة التخزين الاحتياطية للطاقة الشمسية، يبحث السوق الآن عن مواد يمكنها التفوق على الليثيوم أيون وتزويد الجيل القادم من الأجهزة، والمركبات ذات المدى الطويل، والطائرات الكهربائية، وتخزين الطاقة على مستوى الشبكة.

وقد أدى ذلك إلى توجيه الباحثين نحو الألمنيوم، الذي يُظهر أداءً واعدًا لبطاريات أكثر أمانًا، وأرخص، وأكثر قوة.

إمكانات الألمنيوم في تحسين البطاريات 

تستمر الجهود لتطوير بطاريات الألمنيوم القابلة لإعادة الشحن منذ عدة عقود، لكنها حظيت بدعم كبير خلال العقد الماضي تقريبًا. ساهمت الزيادة في الاهتمام والبحث في تمكين بطاريات الألمنيوم أيون من تحقيق معدلات استثنائية في الشحن والتفريغ. 

جميع التطورات المتعلقة ببطاريات الألمنيوم أيون ذات أهمية بسبب الفوائد المتفوقة التي يقدمها هذا المعدن الكهربي الإيجابي.

تشمل خصائص الألمنيوم الفريدة كونه خفيف الوزن، ومقاوم للتآكل، وذو توصيل حراري عالي. 

لقد جعلت هذه المرونة هذا المعدن مفيدًا للغاية في مجموعة واسعة من التطبيقات عبر صناعات مختلفة، لا سيما النقل. يُستخدم المعدن على نطاق واسع في تصنيع السيارات والطائرات والقطارات لأنه خفيف الوزن وقوي، مما يساعد على تحسين كفاءة الوقود وتقليل الانبعاثات. 

تطبيق آخر رئيسي للألمنيوم هو في صناعة البناء لأنه سهل التعامل معه ولديه القدرة على تحمل الظروف البيئية القاسية. يُستخدم الألمنيوم أيضًا بشكل كبير في التعبئة والتغليف، والفضاء الجوي، والكيماويات، والعسكرية، وصناعة الكهرباء.

إن انخفاض كثافته وكونه موصلًا جيدًا للكهرباء يجعل الألمنيوم مثاليًا لتصنيع الموصلات الكهربائية، والأجهزة مثل الحواسيب، والهواتف الذكية، وأجهزة التلفاز، واستخدامه في خطوط الطاقة العلوية.

الأهم من ذلك، أن الألمنيوم هو العنصر المعدني الأكثر وفرة في قشرة الأرض. وبما أنه معدن منخفض التكلفة، فإن استخدامه في البطاريات القابلة لإعادة الشحن يمكن أن يقلل بشكل كبير من تكلفة البطاريات، خاصةً للأنظمة الاحتياطية الاقتصادية واسعة النطاق لتخزين الطاقة المتجددة.

ما زالت بطاريات الليثيوم أيون مكلفة جدًا لهذه التطبيقات. بالإضافة إلى تكلفتها العالية، تحمل هذه البطاريات أيضًا إلكتروليتًا قابلًا للاشتعال مما يخلق مخاوف سلامة. يُعد أكثر المعادن وفرة على الأرض وثاني أكثر المعادن وفرة تجاريًا (بعد الحديد) بديلاً مناسبًا هنا.

بالإضافة إلى كونه رخيصًا، يتمتع الألمنيوم بسعة حجمية عالية، وهي أربعة أضعاف سعة الليثيوم وسبعة أضعاف سعة الصوديوم. يبرز ذلك إمكانات الألمنيوم لتعزيز كثافة الطاقة للبطاريات على أساس الحجم الواحد.

علاوة على ذلك، الألمنيوم غير قابل للاشتعال، مما يدعم تبنيه كقطب كهربائي. كما أن استخدام هذا المعدن يزيل التعقيد الناتج عن طبقة الواجهة التي تُرى عادةً في أنظمة الليثيوم أيون.

هذا لا يعني أن الألمنيوم خالٍ من أي عيوب. أدت عمليات التمرير، والتآكل، وتطور الهيدروجين في أنظمة بطاريات أيون الألمنيوم إلى محدودية تطبيقها. تحدٍ آخر لبطاريات أيون الألمنيوم هو اختيار مواد الأنود بسبب الكثافة الشحنية العالية لأيونات Al3+، مما يؤدي إلى بطء حركية الانتشار، وبالتالي يحد من قدرة البطارية على المعدل.

على الرغم من هذه التحديات، تُعد بطاريات أيون الألمنيوم مرشحًا واعدًا لتخزين الطاقة على نطاق واسع بسبب سعتها النوعية العالية، وتكلفتها المنخفضة، وخفتها، وسلامتها الجيدة، ووفرة الألمنيوم الطبيعية.

استكشاف بطارية أيون الألمنيوم للاستخدام الواقعي

استمر استكشاف الألمنيوم في البطاريات لفترة من الوقت بسبب الحاجة إلى كيميائيات بطارية جديدة لتلبية الطلب على الطاقة العالية من قبل الطائرات للطيران لمسافات طويلة وتخزين الطاقة على مستوى المرافق. البطاريات التقليدية ببساطة لا تحتفظ بكمية كافية من الطاقة لتشغيل هذه الأنظمة.

منذ حوالي عقد من الزمن، كشف الباحثون في جامعة ستانفورد للمرة الأولى أن بطارية أيون الألمنيوم يمكن أن تكون مستقرة وتدور لفترة طويلة. يمكن شحن هذه البطارية الألمنيوم بالكامل خلال دقيقة واحدة وتخضع لما يصل إلى 7500 دورة شحن/تفريغ مع انخفاض طفيف في السعة.

أجرى باحثون في جامعة كوينزلاند بأستراليا، في أواخر العام الماضي، دراسة عالجت العقبة التقنية بمكوّن AIB¹.

بطارية أيون الألمنيوم، مثل بطاريات الليثيوم أيون، تحتوي على أنود، وكاثود، وإلكتروليت، يحمل أيونات الألمنيوم التي تتدفق بين الأقطاب المشحونة إيجابيًا والأقطاب المشحونة سلبًا.

أثناء التفريغ، تنتقل الأيونات من الأنود إلى الكاثود لتوليد الطاقة، وعند شحن البطارية، تعكس العملية لتخزين الطاقة. بالنسبة لبطاريات أيون الألمنيوم، تواجه عدم استقرار عند التبديل بين الشحن والتفريغ بسبب تكوّن التشعبات التي تسبب دوائر قصيرة، مما يؤدي إلى فشل البطارية.

الإجابة على ذلك، وفقًا للبحث، هي أن بطاريات أيون الألمنيوم تحتاج إلى دورة تمهيدية، مثل بطاريات الليثيوم أيون، لتعظيم عمرها. يمكن أن يؤدي فهم هذه الاحتياجات الفريدة للدورة التمهيدية إلى تصاميم أفضل تمكّن البطارية من الاستمرار لفترة أطول وأداء أكثر موثوقية، وبالتالي تقريبها من التطبيقات الواقعية.

في بحث آخر منذ بضع سنوات، استخدم باحثون من معهد جورجيا للتكنولوجيا ورق الألمنيوم لإنشاء بطاريات يمكن أن تمكّن المركبات الكهربائية من قطع مسافات أطول بشحنة واحدة.

في هذه الدراسة، أضاف الباحثون كميات صغيرة من أكثر من 100 مادة مختلفة إلى الألمنيوم لإنشاء صفائح ذات “هياكل دقيقة” محددة. تمكن الأنود الألمنيومي من تخزين المزيد من الليثيوم مقارنة بمواد الأنود التقليدية، مما يعني طاقة أكبر، مما أدى إلى إنشاء بطاريات ذات كثافة طاقة عالية.

تحمل هذه الأبحاث حول بطاريات الألمنيوم إمكانات هائلة في فتح الباب أمام تقنيات بطاريات أكثر قوة لتشغيل المستقبل.

تصميم جديد لتمديد عمر بطاريات الألمنيوم

نظرًا للعديد من فوائد بطاريات أيون الألمنيوم، قامت دراسة جديدة نُشرت الدراسة المنشورة² في مجلة ACS Central Science بتصميم بطارية أيون ألمنيوم ذات تكلفة فعّالة وصديقة للبيئة يمكن أن تساعد في دعم الانتقال إلى طاقة مستدامة ونظيفة.

مع الدفع العالمي نحو الاستدامة، أشارت الدراسة إلى الحاجة لاستكشاف الموارد الوفيرة والمتجددة لتطوير تقنيات بطاريات تخزين الطاقة من أجل تعزيز التنمية المستدامة.

لذلك، لجأ الباحثون إلى بطاريات أيون الألمنيوم القابلة لإعادة الشحن (AIBs) مع إلكتروليتات سائلة أيونية قائمة على كلوروألمنيوم غير قابلة للاشتعال في درجة حرارة الغرفة. تجعلها قدرتها الواسعة على التكيف مع درجات الحرارة، وعمرها الدائري الطويل، وسلامتها الاستثنائية مناسبة جدًا للأنظمة القادرة على تخزين الطاقة على نطاق واسع.

لكن، بالطبع، تعاني الإلكتروليتات السائلة الأيونية التقليدية في بطاريات AIBs من ضعف ملحوظ. من خلال إطارهم الجديد، يهدف الباحثون إلى التغلب على مشكلة التآكل الناتجة عن أكثر الإلكتروليتات شيوعًا المستخدمة في بطاريات أيون الألمنيوم.

الإلكتروليت — كلوريد الألمنيوم السائل — لا يَتآكل الأنود الألمنيومي فحسب، بل يزيد من تفاقم هذه الحالة بسبب حساسيته العالية للرطوبة. وهذا يساهم في استقرار ضعيف، مما يؤدي إلى تراجع الأداء الكهربائي مع مرور الوقت.

لإزالة هذا القيد، قدم الباحثون ملح فلوريد الألمنيوم الخامل إلى الإلكتروليت الذي يحتوي على أيون ألمنيوم، مما حوله إلى إلكتروليت صلب. يسمح الهيكل المسامي ثلاثي الأبعاد لملح فلوريد الألمنيوم لأيونات الألمنيوم بالقفز بسهولة عبر الإلكتروليت وزيادة التوصيل.

كما استخدم الباحثون فلووروإيثيلين كربونات كإضافة للواجهة. ساعد الطلاء الصلب الرقيق لهذا على الأقطاب في منع تكوّن بلورات الألمنيوم، وبالتالي حماية صحة البطارية من التدهور.

مع هذين المكوّنين، تمكن الفريق من تعزيز مقاومة بطاريته للرطوبة بالإضافة إلى استقرارها الحراري والفيزيائي. سمح ذلك لبطارية أيون الألمنيوم الصلبة بمواجهة درجات حرارة تصل إلى 392 درجة فهرنهايت (أو 200 درجة مئوية). كما صمدت أمام الضربات المتكررة من جسم حاد.

فيما يتعلق بعمر هذه البطارية، وجدت الدراسة أنه طويل استثنائيًا. استمرت بطارية أيون الألمنيوم الصلبة حتى 10,000 دورة شحن وتفريغ مع فقدان أقل من واحد بالمئة من سعتها الأصلية.

والأكثر من ذلك، يمكن استعادة معظم فلوريد الألمنيوم المستخدم بغسل بسيط. يمكن بعد ذلك إعادة تدوير AlF3 في بطارية أخرى بأداء منخفض قليلًا فقط، مما يقلل أكثر من تكاليف إنتاج البطارية.

«يظهر هذا التصميم الجديد لبطارية أيون الألمنيوم إمكانات نظام تخزين طاقة طويل الأمد، وفعّال من حيث التكلفة، وعالي السلامة. إن القدرة على استعادة وإعادة تدوير المواد الأساسية تجعل التقنية أكثر استدامة.»

– وي وانغ، مختبر الدولة الرئيسي للمعادن المتقدمة، جامعة العلوم والتكنولوجيا في بكين، الصين

تزيد البطارية الجديدة من عملية بطاريات أيون الألمنيوم من خلال خفض تكلفة تصنيعها وتمديد عمرها، لكن لا يزال هناك حاجة إلى تحسينات إضافية في كثافة الطاقة، واستقرار الإلكتروليت، ودورة الحياة لتسويق هذه البطارية.

انقر هنا لتتعرف على دراسة فكت خرافات شيخوخة البطاريات.

اللاعبون الرئيسيون في سوق البطاريات

يقدم ظهور تقنيات البطاريات الجيل التالي الواعدة تحسينات كبيرة من حيث كثافة الطاقة، والسلامة، والتكلفة، وعمر الخدمة مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون الحالية. ومن المتوقع أن تُحدث تحولًا في متطلبات الطاقة، مدفوعةً بالابتكارات التي تعالج قيود التقنيات الحالية.

لذا، دعونا الآن نلقي نظرة على الشركات التي تدفع حدود تكنولوجيا البطاريات والتي يمكن أن تشهد نموًا هائلًا في السنوات القادمة.

1. QuantumScape

بينما يستكشف العالم بدائل، تستمر بطاريات الليثيوم في الصدارة حاليًا. في هذا السياق، تُعد شركة QuantumScape (QS ) من بين الشركات الرائدة في تطوير تكنولوجيا بطاريات الليثيوم-معدن الصلبة للمركبات الكهربائية وتطبيقات أخرى. 

مع اقتراب بطاريات الليثيوم أيون التقليدية من حدودها، طورت الشركة ما تسميه أول تصميم خلية خالية من الأنود في الصناعة لتوفير كثافة طاقة عالية، وتخفيض تكاليف المواد، وتبسيط الإنتاج. 

على عكس بطاريات الليثيوم أيون التقليدية التي تحتوي على فاصل بوليمري، تستخدم QuantumScape فاصلًا صلبًا. يتيح ذلك استبدال الأنود الكربوني أو السيليكوني بأنود من معدن الليثيوم، وهو أكثر كثافة طاقة وبالتالي يخزن كمية أكبر من الطاقة في نفس الحجم. في تصميم QuantumScape، تُصنع البطارية خالية من الأنود وفي حالة تفريغ.

وفقًا لـ QuantumScape، أكمل خلية النموذج الأولي A0 المكوّنة من 24 طبقة أكثر من 1,000 دورة شحن-تفريغ كاملة مع احتفاظ بأكثر من 95٪ من الطاقة. في أكتوبر الماضي، كشفت الشركة عن منتجها التجاري الأول المخطط له، QSE-5، لتطبيقات السيارات. خلية عينة B من QSE-5، التي بدأ إنتاجها بكميات قليلة، لديها طاقة خلية مقاسة تبلغ 21.6 وات-ساعة (Wh). يمكن لخلية QSE-5 الشحن من 10٪ إلى 80٪ في حوالي 12 دقيقة.

بقيمة سوقية تبلغ 2.62 مليار، يتم تداول أسهم QuantumScape حاليًا بسعر 5.13 دولار، بانخفاض قدره 1.16٪ منذ بداية العام. ربح السهم (TTM) هو -0.95، ونسبة السعر إلى الربح (TTM) هي -5.38.

بالنسبة للنتائج المالية للربع الأخير المبلغ عنها، أي الربع الثالث من 2024، أنفقت الشركة 17.9 مليون دولار في النفقات الرأسمالية بينما بلغت مصاريفها التشغيلية وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا 130.2 مليون دولار، وصافي الخسارة وفقًا لمبادئ GAAP كان 119.7 مليون دولار. بلغت السيولة في نهاية الربع 841 مليون دولار.

قامت QuantumScape أيضًا بشراكة مع شركة PowerCo لتصنيع البطاريات التابعة لفولكس فاجن لجلب تقنية QSE-5 إلى الإنتاج الضخم.

خلال هذه الفترة، أفادت الشركة بأنها نجحت في تنفيذ تقنية إنتاج الفاصل الجديد المسمى Raptor. ثم، في ديسمبر، أعلنت الشركة عن إطلاق Cobra، التي تقول QuantumScape إنّها ستمكّنها من تقديم عينات ذات حجم أعلى من QSE-5 هذا العام. تُعتبر Cobra أيضًا خطوة رئيسية نحو تسويق بطارياتها الصلبة للمركبات الكهربائية.

2. Solid Power

تأسست شركة Solid Power (SLDP ) في عام 2011، وتم إنشاؤها من جامعة كولورادو بولدر بتمويل من DARPA. على مر السنين، حصلت على عقود من القوات الجوية ووقعت اتفاقية مع وزارة الطاقة.

في عام 2018، أجرت الشركة جولة تمويل أولى قائمة على الأسهم، وفي عام 2021، أعلنت عن جولة استثمار بقيمة 135 مليون دولار بقيادة مجموعة BMW، وشركة فورد للسيارات، وشركة Volta Energy Technologies.

قامت كل من فورد ومجموعة BMW منذ ذلك الحين بتوسيع اتفاقيات التطوير المشترك القائمة مع Solid Power لتأمين جميع بطاريات الحالة الصلبة لمركباتهما الكهربائية المستقبلية. في العام السابق لذلك، أنتجت Solid Power خلايا ليثيوم معدني بسعة 320 واط-ساعة/كغ و20 أمبير-ساعة، وأفادت بأنها تتفوق على الطاقة النوعية المتوفرة تجاريًا لبطاريات الليثيوم أيون.

تشارك الشركة في تطوير تقنية بطاريات الحالة الصلبة من الجيل التالي، والتي تقول إن لديها القدرة على إحداث ثورة في أسواق الطاقة المتنقلة المستقبلية. يتركز تركيزها بشكل خاص على الإلكتروليتات الصلبة القائمة على الكبريتيد للمركبات الكهربائية، بهدف تكلفة 85 دولارًا لكل كيلوواط-ساعة. الهدف هو توسيع إنتاج الإلكتروليت لتزويد 800,000 مركبة كهربائية بخلية بطارية سنويًا بحلول عام 2028.

بقيمة سوقية تبلغ 268.77 مليون، يتم تداول أسهم Solid Power حاليًا بسعر 1.50 دولار، بانخفاض قدره 21.16٪ منذ بداية العام. بدأت الشركة التداول في بورصة Nasdaq فقط في أواخر ديسمبر 2021. ربح السهم (TTM) هو -0.47، ونسبة السعر إلى الربح (TTM) هي -3.14.

بالنسبة لأحدث النتائج المالية المبلغ عنها، الربع الثالث من 2024، حققت Solid Power إيرادات بقيمة 4.7 مليون دولار، وهو انخفاض قدره 1.7 مليون دولار مقارنةً بالربع نفسه من العام السابق. جاء هذا الانخفاض في الإيرادات أساسًا بسبب إكمال معالمها مع شركة BMW. ارتفعت مصاريف التشغيل للفترة بسبب زيادة تكاليف الإنتاج، وتكلفة تطوير الخلية والإلكتروليت، وتوسيع العمليات، والتنفيذات. ومع ذلك، ظل وضع السيولة قويًا حيث أنهت SolidPower الربع بإجمالي سيولة قدرها 348.1 مليون دولار.

خلال هذه الفترة، بدأت الشركة العمل في مركز الابتكار للإلكتروليت (EIC) لتحسين عمليات تصنيع الإلكتروليت التجريبي.

مؤخرًا، أعلنت Solid Power أنها حصلت على تمويل يصل إلى 50 مليون دولار من وزارة الطاقة الأمريكية للإنتاج المستمر للمواد الصلبة القائمة على الكبريتيد. كجزء من اتفاقية مساعدة، ستساهم Solid Power بـ 60 مليون دولار من أموالها الخاصة لدعم تركيب المعدات، وهو ما يُتوقع أن يعزز حجم تصنيع الشركة.

الخلاصة 

تستمر بطاريات الليثيوم أيون في السيطرة على العديد من الإلكترونيات الاستهلاكية الشائعة، والمركبات الكهربائية، وأنظمة تخزين الطاقة (ESSs). يعود الاعتماد المتزايد على هذه البطاريات إلى كثافة طاقتها العالية وأنظمة التحضير الصناعية الناضجة، ولكن إذا أردنا دمج مصادر الطاقة الوفيرة والمتجددة في شبكة الطاقة، فنحتاج إلى إيجاد حلول أفضل.

يتطلب التخزين طويل الأجل للطاقة الشمسية والرياح بطاريات كبيرة، لكن بطاريات الليثيوم أيون مكلفة جدًا لهذه المهمة. ولا ننسى أن قابليتها للاشتعال تشكل خطرًا كبيرًا على السلامة. يُعد بديلًا محتملًا لأنظمة تخزين الطاقة الكبيرة والموثوقة هو بطاريات أيون الألمنيوم القابلة لإعادة الشحن، التي تقدم بديلاً واعدًا بفضل تكلفتها المنخفضة، وسلامتها المحسنة، وسعتها الحجمية العالية.

مع التقدم في استقرار الإلكتروليت وعمر البطارية، يمكن لبطاريات أيون الألمنيوم أن تلعب دورًا رئيسيًا في تخزين الطاقة على نطاق واسع، والمركبات الكهربائية، وما بعد ذلك. بينما لا تزال التحديات قائمة في جدواها التجارية، فإن الأبحاث المستمرة تقرب هذه البطاريات من التطبيقات الواقعية وقد تخدم قريبًا الحاجة المجتمعية المستقبلية إلى بطاريات ذات كثافة طاقة عالية وتكلفة معقولة.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل أسهم البطاريات للاستثمار فيها.