إعادة النظر في افتراضات تصميم البطاريات

فهم جديد لتصدع الكاثود في بطاريات الليثيوم أيون

يُعدّ تحسين كثافة طاقة البطاريات عاملاً رئيسياً في زيادة الإقبال على السيارات الكهربائية بدلاً من سيارات محركات الاحتراق الداخلي. كما تُشكّل سلامة المستهلك مصدر قلق بالغ آخر، على الرغم من أن التصور العام لمخاطر الحرائق غالباً ما يتجاوز الواقع.

تُعدّ المتانة بنفس القدر من الأهمية. يطالب المشترون ببطاريات تدوم لأكثر من عقد من الزمان - ويفضل أن تدوم أطول من عمر السيارة نفسها - للحفاظ على القيمة المتبقية وتجنب عمليات الاستبدال المكلفة.

"إن كهربة المجتمع تتطلب مساهمة الجميع. إذا لم يثق الناس في أن البطاريات آمنة وتدوم طويلاً، فلن يختاروا استخدامها."

خليل أمين – زميل متميز في مختبر أرجون الوطني

ولمعالجة هذه المعايير، يتحول القطاع من المواد الغنية بالنيكل متعددة البلورات (PC-NMC) إلى أكاسيد الطبقات الغنية بالنيكل أحادية البلورة (SC-NMC).

يهدف هذا التحول إلى تخفيف الإجهادات النانوية التي تسبب تشقق الكاثود بمرور الوقت. وحتى الآن، كان تصميم الكاثودات أحادية البلورة (أحادية البلورة) يتبع الافتراضات المستخدمة سابقًا للكاثودات متعددة البلورات.

ومع ذلك، اكتشف باحثون في مختبر أرغون الوطني، ومختبر بروكهافن الوطني، وجامعة شيكاغو أن هذين النوعين من الكاثود يتشققان بطرق مختلفة تمامًا، مما يمهد الطريق لاستراتيجيات تحسين جديدة.

وقد نشروا نتائجهم في مجلة Nature Nanotechnology¹بعنوان "تطور الإجهاد النانوي في الأقطاب الموجبة للبطاريات أحادية البلورة".

لماذا يُعدّ تشقق الكاثود آلية فشل أساسية؟

التصدع متعدد البلورات

في الكاثود متعدد البلورات، تتكون المادة من بلورات نانوية متعددة. ومع شحن البطارية وتفريغها، تتمدد هذه الجسيمات وتنكمش.

يمكن لهذه الحركة المتكررة أن توسع حدود الحبيبات التي تفصل بين البلورات المتعددة، مما يؤدي إلى ظهور تشققات. وإذا اتسعت هذه التشققات بشكل كبير، فقد يتسرب الإلكتروليت إلى داخل الجزيء، على غرار كيفية تسبب تجمد الماء وذوبانه في ظهور حفر في شوارع المدينة.

المصدر الطبيعة

عندما يتجاوز هذا التمدد حدود المرونة، يتشقق الكاثود. وفي أسوأ الأحوال، قد يؤدي ذلك إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل مفاجئ ونشوب حريق. أما في أغلب الأحيان، فإنه يقلل من سعة شحن البطارية بمرور الوقت، مما يؤدي إلى تدهور أدائها.

"عادةً ما يتعرض لتمدد أو انكماش في الحجم بنسبة تتراوح بين 5 إلى 10%. وبمجرد أن يتجاوز التمدد أو الانكماش حدود المرونة، فإنه سيؤدي إلى تشقق الجزيئات."

جينغ وانغ – باحثة ما بعد الدكتوراه في مختبر أرغون الوطني

ولأن الكاثودات أحادية البلورة تفتقر إلى الحدود بين حبيبات البلورات، فإنها لا تعاني من هذا النوع المحدد من الأعطال. ومع ذلك، يستمر تدهور البطارية.

الميزات الفريدة للكاثودات أحادية البلورة

وللتحقق من ذلك، استخدم الباحثون تقنيات الأشعة السينية السنكروترونية متعددة المقاييس ومجهر إلكتروني ناقل عالي الدقة.

المصدر الطبيعة

في الكاثود متعدد البلورات، يساعد الكوبالت على الحد من اضطراب الليثيوم/النيكل (هجرة أيونات النيكل إلى طبقات الليثيوم)، ولكنه يُعرف أيضاً بأنه عامل مساهم في التشققات. تقليدياً، يُضاف المنغنيز لمعالجة هذه المشكلة.

وجد باحثو أرغون أن العكس صحيح في الكاثودات أحادية البلورة: كان المنغنيز أكثر ضرراً من الناحية الميكانيكية، بينما ساعد الكوبالت في الواقع على إطالة عمر البطارية.

"عندما يحاول الناس الانتقال إلى الكاثودات أحادية البلورة، فإنهم يتبعون مبادئ تصميم مماثلة لتلك الخاصة بالكاثودات متعددة البلورات."

يُبين عملنا أن آلية التحلل الرئيسية للجسيمات أحادية البلورة تختلف عن تلك الخاصة بالجسيمات متعددة البلورات، مما يؤدي إلى متطلبات تركيب مختلفة.

جينغ وانغ – باحثة ما بعد الدكتوراه في مختبر أرغون الوطني

تكشف الدراسة أن عدم تجانس التفاعل يسبب الإجهاد في غضون تتفاعل البلورات الفردية، وليس فيما بينها. وتتفاعل مناطق مختلفة من البلورة بمعدلات متفاوتة، مما يخلق إجهادًا داخليًا يؤدي إلى التصدع.

المصدر الطبيعة

كيف يمكن لهذا الاكتشاف أن يُحسّن بطاريات الجيل القادم؟

يُعد الكوبالت أغلى من النيكل أو المنغنيز، كما أنه يثير مخاوف أخلاقية تتعلق بإنتاجه، مما يدفع الصناعة إلى السعي لتقليل استخدامه.

"من خلال تحديد هذه الآلية التي لم تحظ بالتقدير الكافي سابقاً، يؤسس هذا العمل صلة مباشرة بين تكوين المواد ومسارات التدهور، مما يوفر فهماً أعمق لأصول تدهور الأداء في هذه المواد."

تونغتشاو ليو – كيميائي في مختبر أرغون الوطني

تتمثل الخطوة التالية في تطبيق هذه النتائج لتحديد المواد الخالية من الكوبالت التي تقلل من مخاطر التشقق مع الحفاظ على كفاءة التكلفة.

خاتمة

يُعدّ تحسين الكاثود خطوةً حيويةً لتعزيز أداء بطاريات الليثيوم. وهذا أمرٌ بالغ الأهمية، لا سيما في التصاميم الحديثة الخالية من الأنود، حيث تُعتبر كفاءة الكاثود أساسية.

يُقدّم هذا الابتكار إطارًا نظريًا جديدًا لتحسين تصميمات الكاثودات أحادية البلورة. ومن المُفترض أن يُفضي إلى بديل خالٍ من الكوبالت يُقلّل بشكلٍ كبير من مخاطر التصدّع ويُخفّض التكاليف.

تُعدّ هذه التطورات ذات قيمة خاصة لمطوري البطاريات غير المعتمدة على نوع الكاثود، مثل شركة QuantumScape. فبفضل منصتهم الخالية من الأنود التي تدعم تركيبات كيميائية متنوعة للكاثود، يمكنهم دمج هذه التصاميم المرنة أحادية البلورة بسرعة لإطالة عمر البطارية دون الحاجة إلى إعادة تصميم تقنيتهم ​​الأساسية للحالة الصلبة.

شركة البطاريات

QuantumScape

لا تزال شريحة كبيرة من المستهلكين متشككة في مدى سير معظم طرازات السيارات الكهربائية وسرعة إعادة شحنها. كما يُعدّ خطر نشوب حريق بسبب بطاريات الليثيوم أيون التقليدية مصدر قلق أيضاً.

توفر بطاريات الحالة الصلبة حلاً مثالياً من خلال استبدال الإلكتروليت السائل بإلكتروليت صلب، مما يؤدي إلى القضاء على مخاطر الحريق وزيادة كثافة الطاقة بشكل كبير.

تتميز شركة QuantumScape بتصميمها المبتكر الخالي من الأنود، مما يسمح لها بدمج مواد متعددة للكاثود، ويضع الشركة في موقع يسمح لها بالاستفادة من التحسينات المستقبلية في تصنيع وتصميم الكاثود.

المصدر QuantumScape

بعد سنوات من التقدم البطيء في المختبرات، تنتقل بطاريات الحالة الصلبة أخيرًا من النماذج الأولية الواعدة إلى الإنتاج الضخم والتكامل في المركبات التجارية.

تم تحقيق إنجاز رئيسي في عام 2025 عندما أطلقت شركة QuantumScape بطاريتها في دراجة Ducati V21L الكهربائية، وذلك نتيجة لشراكتها مع فولكس فاجن.

المصدر QuantumScape

يتفوق تصميم QuantumScape بشكل ملحوظ على بطاريات الليثيوم أيون في جميع المقاييس تقريبًا:

• يمكن شحنها في 15 دقيقة فقط (10-80% عند 45 درجة مئوية).
• إن الفاصل الذي يحل محل الإلكتروليت السائل غير قابل للاشتعال وغير قابل للاحتراق.
• وتبلغ كثافة الطاقة في خلايا البطارية 844 واط/لتر و301 واط/كجم.
• كمرجع، تبلغ سعة خلايا Tesla 4680 حوالي 643 واط/لتر و241 واط/كجم، بينما تبلغ سعة خلايا BYD ذات الشكل البليدي حوالي 375 واط/لتر و160 واط/كجم.

ستقدم شركة PowerCo، التابعة لشركة فولكس فاجن والمتخصصة في البطاريات، لشركة QuantumScape ما يصل إلى 131 مليون دولار كمدفوعات جديدة على مدى العامين المقبلين عند تحقيق معالم معينة، مما يدل على التزام المجموعة بتقنية الحالة الصلبة.

(تستطيع اقرأ المزيد عن شركة QuantumScape في تقريرنا الاستثماري المخصص..)

أحدث أخبار وتطورات سهم QuantumScape (QS)

الدراسة المرجعية

^{1وانغ، جيه، ليو، تي، هوانغ، دبليو. وآخرون. تطور الإجهاد النانوي في الأقطاب الموجبة للبطاريات أحادية البلورة. نات. تقنية النانو. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02079-9}