إعادة التفكير في افتراضات تصميم البطاريات

فهم جديد لتشقق القطب الموجب في بطاريات الليثيوم أيون

تحسين كثافة الطاقة في البطاريات يُعد دافعًا رئيسيًا لتبني السيارات الكهربائية على محركات الاحتراق الداخلي. السلامة للمستهلك هي قضية رئيسية أخرى، على الرغم من أن تصور الجمهور لمخاطر الحريق غالبًا ما يتجاوز الواقع.

المتانة مهمة بنفس القدر. يطلب المشترون بطاريات تدوم لأكثر من عقد من الزمن — ويفضل أن تتجاوز عمر السيارة نفسها — للحفاظ على القيمة المتبقية وتجنب الاستبدالات المكلفة.

“تحتاج عملية كهربة المجتمع إلى مساهمة الجميع. إذا لم يثق الناس في أن البطاريات آمنة وطويلة الأمد، فلن يختاروا استخدامها.”
Khalil Amine – Argonne Distinguished Fellow

لمواجهة هذه المعايير، يتحول القطاع من المواد المتعددة البلورات الغنية بالنيكل (PC-NMC) إلى أكسيدات الطبقة الغنية بالنيكل ذات البلورة الواحدة (SC-NMC).

يهدف هذا التحول إلى تخفيف الإجهادات النانوية التي تتسبب في تشقق القطب الموجب مع مرور الوقت. حتى الآن، كان تصميم الأقطاب المونوكريستالية (البلورة الواحدة) يتبع الافتراضات المستخدمة سابقًا للأقطاب المتعددة البلورات.

ومع ذلك، اكتشف الباحثون في مختبر أرجون الوطني، ومختبر بروكهافن الوطني، وجامعة شيكاغو أن هذين النوعين من الأقطاب يتشققان بطرق مختلفة جوهريًا، مما يفتح الطريق لاستراتيجيات تحسين جديدة.

نشروا نتائجهم في مجلة Nature Nanotechnology¹، بعنوان “Nanoscopic strain evolution in single-crystal battery positive electrodes”.

لماذا يُعد تشقق القطب الموجب آلية فشل أساسية

تشقق متعدد البلورات

في القطب الموجب متعدد البلورات، يتكون المادة من عدة بلورات نانوية. مع شحن وتفريغ البطارية، تتمدد هذه الجسيمات وتنفصل.

يمكن لهذا الحركة المتكررة أن توسّع حدود الحبيبات التي تفصل البلورات المتعددة، مما يخلق تشققات. إذا أصبحت التشقّق واسعة جدًا، يمكن للكهرل أن يتسلل إلى الجسيم — مشابهًا لكيفية تكوّن الحفر في شوارع المدينة نتيجة تجمد الماء وذوبانه.

المصدر: Nature

عندما يتجاوز هذا التمدد الحدود المرنة، يتشقق القطب الموجب. في أسوأ الحالات، قد يؤدي ذلك إلى انطلاق حراري وحرائق. وأكثر شيوعًا، يقلل ذلك من سعة شحن البطارية مع مرور الوقت، مما يؤدي إلى تدهور الأداء.

“عادةً ما يتعرض لتوسع حجمي يتراوح بين 5 إلى 10٪ أو انكماش. بمجرد أن يتجاوز التوسع أو الانكماش الحدود المرنة، سيؤدي إلى تشقق الجسيمات.”
Jing Wang – Postdoctoral researcher at Argonne National Laboratory

نظرًا لأن الأقطاب المونوكريستالية لا تحتوي على حدود بين حبيبات البلورة، فهي لا تعاني من هذا النمط المحدد من الفشل. ومع ذلك، يستمر تدهور البطارية.

الميزات الفريدة للأقطاب المونوكريستالية

للتحقق من ذلك، استخدم الباحثون تقنيات أشعة إكس المتزامنة متعددة المقاييس ومجهر إلكتروني انتقالي عالي الدقة.

المصدر: Nature

في القطب الموجب متعدد البلورات، يساعد الكوبالت في تخفيف اضطراب Li/Ni (انتقال أيونات النيكل إلى طبقات الليثيوم) لكنه أيضًا معروف بأنه يساهم في التشقق. تقليديًا، يُضاف المنغنيز لموازنة هذه المشكلة.

وجد باحثو أرجون أن العكس صحيح في الأقطاب المونوكريستالية: كان المنغنيز أكثر ضررًا ميكانيكيًا، بينما ساعد الكوبالت فعليًا في إطالة عمر البطارية.

“عندما يحاول الناس الانتقال إلى أقطاب بلورة واحدة، كانوا يتبعون مبادئ تصميم مماثلة لتلك الخاصة بالأقطاب المتعددة البلورات.

عملنا يحدد أن آلية التدهور الرئيسية للجسيمات ذات البلورة الواحدة تختلف عن تلك الخاصة بالأقطاب المتعددة البلورات، مما يؤدي إلى متطلبات تركيبة مختلفة.”

Jing Wang – Postdoctoral researcher at Argonne National Laboratory

تكشف الدراسة أن عدم تجانس التفاعل يسبب إجهادًا داخل البلورات الفردية، وليس بينها. تتفاعل مناطق مختلفة من البلورة بمعدلات متفاوتة، مما يخلق إجهادًا داخليًا يؤدي إلى التشقق.

المصدر: Nature

كيف يمكن لهذا الاكتشاف تحسين البطاريات الجيل التالي

الكوبالت أغلى من النيكل أو المنغنيز ويحمل مخاوف تتعلق بالإنتاج الأخلاقي، مما يدفع الصناعة إلى تقليل استخدامه.

«من خلال تحديد هذه الآلية التي لم تُقدَّر قيمتها سابقًا، يضع هذا العمل رابطًا مباشرًا بين تركيبة المادة ومسارات التدهور، مما يوفر فهماً أعمق لأصول تراجع الأداء في هذه المواد.»
Tongchao Liu – Chemist at Argonne National Laboratory

الخطوة التالية هي تطبيق هذه النتائج لتحديد مواد خالية من الكوبالت تقلل من مخاطر التشقق مع الحفاظ على كفاءة التكلفة.

الخلاصة

تحسين القطب الموجب خطوة حيوية لتعزيز أداء بطاريات الليثيوم. وهذا أمر بالغ الأهمية خاصةً في التصاميم الحديثة الخالية من الأنود حيث تكون كفاءة القطب الموجب أساسية.

توفر هذه الابتكار إطارًا نظريًا جديدًا لتحسين تصاميم الأقطاب المونوكريستالية. من الناحية المثالية، سيؤدي ذلك إلى بديل خالٍ من الكوبالت يقلل بشكل كبير من مخاطر التشقق ويخفض التكاليف.

هذه التطورات ذات قيمة خاصة لمطوري البطاريات غير المتحيزين للقطب الموجب مثل QuantumScape. نظرًا لأن منصتهم الخالية من الأنود تدعم تركيبات قُطْب مِجْهَزٍ متعددة، يمكنهم دمج تصاميم البلورة الواحدة المقاومة بسرعة لتمديد عمر البطارية دون الحاجة إلى إعادة تصميم تقنيتهم الصلبة الأساسية.

شركة البطاريات

QuantumScape

لا يزال جزء كبير من المستهلكين يشكك في مدى السيارات الكهربائية وسرعات شحن معظم نماذجها. كما أن خطر الحريق من بطاريات الليثيوم أيون التقليدية يمثل قلقًا أيضًا.

توفر بطاريات الحالة الصلبة حلاً مثاليًا من خلال استبدال الكهرل السائل بآخر صلب، مما يلغي مخاطر الحريق ويزيد كثافة الطاقة بشكل كبير.

تُعد QuantumScape مبتكرة بشكل خاص بفضل تصميمها الخالي من الأنود. يتيح ذلك دمج مواد قطب متعددة، مما يضع الشركة في موقع يستفيد من التحسينات المستقبلية في تصنيع وتصميم الأقطاب.

المصدر: QuantumScape

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

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

المصدر: QuantumScape

QuantumScape’s design is significantly superior to lithium-ion batteries in almost all metrics:

• يمكنه الشحن في 15 دقيقة فقط (من 10% إلى 80% عند 45 درجة مئوية).
• الفاصل الذي يستبدل الكهرل السائل غير قابل للاشتعال ولا يشتعل.
• كثافة طاقة خلايا بطاريتها هي 844 واط·ساعة/لتر و301 واط·ساعة/كغ.
• للمقارنة، خلايا Tesla 4680 تبلغ 643 واط·ساعة/لتر و241 واط·ساعة/كغ، وخلايا BYD الشفرية حوالي 375 واط·ساعة/لتر و160 واط·ساعة/كغ.

ستقدم شركة PowerCo، التابعة لVolkswagen في مجال البطاريات، إلى QuantumScape ما يصل إلى 131 مليون دولار من المدفوعات الجديدة على مدى العامين القادمين عند تحقيق معايير معينة، مما يُظهر التزام المجموعة بتقنية الحالة الصلبة.

(يمكنك قراءة المزيد عن QuantumScape في تقرير الاستثمار المخصص لدينا.)

أحدث أخبار وتطورات سهم QuantumScape (QS)

الدراسة المشار إليها

^{1. Wang, J., Liu, T., Huang, W. et al. Nanoscopic strain evolution in single-crystal battery positive electrodes. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02079-9}