الطاقة
تعديلات بسيطة لتغييرات كبيرة – هل أنسجة المعادن الناعمة هي اختراق في مجال البطاريات؟
تنتشر البطاريات في كل مكان. لا يمكن لعصرنا التكنولوجي الحديث أن يتقدم أو يزدهر دون بطاريات مصنوعة بفعالية وكفاءة. تتواجد البطاريات في المركبات الكهربائية، والأجهزة المحمولة، وتخزين الطاقة المتجددة، والعديد من المجالات الأخرى.
إذا نظرنا إلى أرقام النمو، فإن الإمكانات تتضاعف بشكل أسي. بين عامي 2022 و2030، من المتوقع أن يرتفع الطلب العالمي على بطاريات الليثيوم‑أيون، على سبيل المثال، بنحو سبعة أضعاف تقريبًا، ليصل إلى 4.7 تيراواط‑ساعة في عام 2030. ي attrib (but we keep translation) “ينسب خبراء السوق جزءًا كبيرًا من هذا النمو إلى الشعبية المتزايدة للمركبات الكهربائية، التي تعتمد بشكل كبير على بطاريات الليثيوم‑أيون. في عام 2024، شكلت المركبات الكهربائية أكثر من 80٪ من طلب بطاريات الليثيوم‑أيون عالميًا.
دعم هذا النمو الاستثنائي سيتطلب توسيع إنتاج البطاريات. ولا يمكن أن يتم توسيع الإنتاج إلا بدعم الابتكار. الخبر السار هو أن الباحثين حول العالم يعملون على ذلك. إنهم يستكشفون باستمرار موادًا جديدة، وتصاميم، وتكوينات، وكيميائيات.
مع ذلك، من الضروري أيضًا الاستمرار في التحقق مما إذا كانت هذه الاستكشافات تُحسّن من الموارد المتاحة. ومن خلال هذا الفحص، اكتشف الباحثون أن نسيج المعادن هو أمر تم تجاهله تاريخيًا.
أثناء شرح الطبيعة الدقيقة لهذا التجاهل، جامعة شيكاغو PME الأستاذة شيرلي مينغ، أستاذة عائلة ليو في الهندسة الجزيئية، قالت ما يلي:
“هناك فجوة في فهم اتجاه الحبوب، المعروف أيضًا بالنسيج، وكيف يؤثر هذا العامل على أداء بطارية المعدن القابلة لإعادة الشحن.”
الحل يأتي من مختبر مينغ لتخزين الطاقة والتحويل وشريكها الصناعي، شركة Thermo Fisher Scientific. وبشكل أكثر تحديدًا، يأتي من خلال ورقة بحثية كتبها مينغ وزملاؤها. عنوان الورقة هو ‘نمو اختيار الحبوب للمعادن الناعمة في العمليات الكهروكيميائية.’
التجريب من أجل نسيج أفضل للبطاريات الأفضل
يقصد الباحثون بمصطلح ‘النسيج’ اتجاه الحبوب الذي يُوجه في اتجاه معين بدلاً من التوزيع العشوائي. تساعد تقنية الحزمة الأيونية المركزة على البلازما مع حيود الإلكترونات المرتد (PFIB-EBSD) في توصيف نسيج المعدن تحت ظروف الطلاء والكشط الكهروكيميائي المتنوعة.
في الدراسة1، سلط الباحثون الضوء على التنافس بين طاقة السطح وطاقة الانفعال لتكوين النسيج للمعادن القلوية. وعلى وجه الخصوص، حاولوا فهم كيف أن سيطرة انتشار الذرات وطاقة سطح المعادن القلوية على نمو اختيار الحبوب خلال العمليات الكهروكيميائية تعمل كمفتاح لتفسير القيود الحركية للبطاريات الصلبة التي تستخدم أقطابًا معدنية، خاصةً في درجة حرارة الغرفة. الهدف النهائي من هذا البحث والرؤى المستخلصة منه هو تحقيق نسيجات مرغوبة من خلال هندسة الواجهة لتحسين كفاءة الطلاء/الكشط عند كثافات التيار العالية.
قام الباحثون بتنفيذ سلسلة من الخطوات في سعيهم لفهم ما قد يكون النسيج المثالي للبطاريات المعدنية. قاموا بتوصيف نسيج المعدن الناعم تحت ظروف مختلفة، وطوروا نظرية حرارية ونموذج مجال الطور لتكوين النسيج، وحددوا النسيجات المرغوبة لتحسين كفاءة الطلاء/الكشط، وأخيرًا صمموا طبقة واجهة لنمو الحبوب المرغوب.
ماذا حقق البحث؟
وفقًا لكلمات أستاذ البحث المشارك في جامعة شيكاغو PME الأستاذ مينهواو تشانغ، المؤلف الأول للعمل الجديد، اكتشف الباحثون أن “إضافة طبقة رقيقة من السيليكون بين معدن الليثيوم وجمع التيار تساعد على إنشاء النسيج المطلوب”.
استنتج الباحثون أن “هذا التغيير حسّن قدرة البطارية على التفريغ والشحن بنحو عشرة أضعاف في جميع البطاريات الصلبة التي تستخدم معدن الليثيوم”.
لكن ما الذي دفع الباحثين لاكتشاف ما هو الصواب والأمثل؟
بدأ الباحثون بالافتراض أن النسيج المثالي لأنود البطارية سيكون ذلك الذي تسمح فيه الذرات بالحركة السريعة على سطح السطح، حيث إن الحركة الأسرع تساعد البطاريات على الشحن والتفريغ بسرعة أكبر. لتغيير طريقة تشكيل النسيج، ما كان مهمًا هو اختلاف طاقة سطح المعدن الناعم.
وفقًا للبروفيسور مينهواو تشنغ:
“نظرًا لأن البطاريات التي تحتوي على معدن الليثيوم أو الصوديوم تعتمد على هذه النسيجات لتحقيق قدرة معدل مفضلة، تساءلت الفريق عما إذا كان تعديل نسيج المعادن الناعمة يمكن أن يحسن كثافة الطاقة.”
اعتمد إنجاز الهدف بشكل كبير على الاستخدام الفعال لتقنية الميكروسكوب، التي شملت الطحن داخل مجهر إلكتروني مسح بالحزمة الأيونية المركزة على البلازما (PFIB-SEM) مع تخطيط حيود الإلكترونات المرتد (EBSD). يمكن أن يساعد الجمع الفعال بين هاتين الطريقتين في دراسة النسيج بطرق جديدة.
أثناء توضيح فائدة تقنية الميكروسكوب المستخدمة في البحث، قال المؤلف المشارك في الدراسة تشاو ليو، مدير تطوير السوق الأول في Thermo Fisher Scientific، ما يلي:
“إن تركيبة PFIB-EBSD مناسبة تمامًا لهذا البحث، حيث يمكن لـ PFIB الوصول بفعالية إلى منطقة الاهتمام داخل مجموعة الخلايا، وإنتاج سطح عالي الجودة بأقل عدد من العيوب، بينما يوفر EBSD معلومات تفصيلية عن نسيج المعدن الناعم.”
إلى جانب شريكها الصناعي، تعاون الباحثون أيضًا مع مختبر أبحاث الحدود التابع لـ LG Energy Solution، بهدف العمل على تج commercialization التقنية.
وفقًا للباحث الأول في LG Energy Solution، جيونغ بوم لي، سيساعد البحث في تطوير بطاريات الجيل التالي للمركبات الكهربائية وتطبيقات تخزين الطاقة.
ما الذي يهدف الباحثون إلى القيام به لاحقًا؟
في المستقبل، لدى الباحثين هدفان واضحان. أولاً، يرغبون في خفض الضغط المستخدم أثناء الاختبار من 5 ميغاباسكال (MPa) إلى 1 MPa، وهو المعيار الصناعي الحالي للبطاريات المتاحة تجاريًا. ثانيًا، يرغبون في دراسة تأثير النسيج على الصوديوم، الذي، وفقًا لنتائج مينغ، لديه القدرة على أن يصبح بديلاً منخفض التكلفة ومتوافرًا بسهولة للليثيوم.
أبحاث أخرى حول مواد بطاريات الليثيوم-أيون
بينما يقدم البحث الحالي اختراقًا، فإن مساعي البحث المماثلة ليست نادرة. مراجعة للأبحاث التي أجريت على مثل هذه البطاريات – نُشر في مجلة Materials Today – أظهر أن بطاريات الليثيوم-أيون تتمتع بمزايا واضحة مثل الكثافة الطاقية العالية، وعمر الدورة الطويل، والكفاءة العالية التي هي عليها اليوم، إلا أن الأبحاث لا تزال مستمرة على مواد أقطاب جديدة لدفع حدود التكلفة، وكثافة الطاقة، وكثافة القدرة، وعمر الدورة، والسلامة.
بينما استكشف الباحثون خيارات مواد الأنود والكاثود الواعدة المتاحة حولهم، وجدوا أن العديد منها يعاني من مشاكل مثل التوصيل الكهربائي المحدود، بطء نقل الليثيوم، الذوبان أو تفاعلات غير مواتية أخرى مع الكهرل، انخفاض الاستقرار الحراري، التوسع الحجمي العالي، وهشاشة. وقد شملت الحلول المتاحة لهذه المشكلات كاثود التداخل الذي تم طرحه في السوق. ومع ذلك، كان معدل تسويق تقنية المواد التحويلية بطيئًا.
وبالحديث عن التسويق وتوسيع النطاق، يجب أن نتوجه الآن نحو الشركات التي يمكنها تحقيق الكثير من خلال مثل هذا البحث التكنولوجي المتقدم.
1. سامسونج
في أغسطس 2024، أكملت شركة سامسونج إس دي آي الكورية الجنوبية اتفاقًا مع شركة جنرال موتورز لبناء مصنع مشترك لبطاريات المركبات الكهربائية في ولاية إنديانا الأمريكية. من خلال هذا الاتفاق، قررت الشركتان بناء مصنع لتصنيع خلايا البطاريات بقدرة إنتاج سنوية تبلغ 27 جيجاواط‑ساعة.
في وقت سابق، في 2022، اختارت شركة سامسونج إس دي آي، الشركة السادسة عالميًا في صناعة البطاريات، وشركة ستيلانتس N.V. متعددة الجنسيات ذات المقر الهولندي موقعًا في ولاية إنديانا لإنشاء مصنع مشترك لبطاريات المركبات الكهربائية في الولايات المتحدة.
كان هدف الشركة إنتاج 23 جيجاواط‑ساعة (GWh) من خلايا البطاريات العمودية والوحدات سنويًا، وفقًا للخطة للنصف الأول من عام 2025 لمصانع سيارات ستيلانتس في أمريكا الشمالية.
عندما يتعلق الأمر بإنتاج البطاريات، تلبي سامسونج إس دي آي مجموعة من الحلول، بما في ذلك المركبات الكهربائية، وأنظمة تخزين الطاقة، والتنقل الصغير، وأجهزة الطاقة، وأجهزة تكنولوجيا المعلومات.
بالنسبة للمركبات الكهربائية والهجينة القابلة للشحن، تصنع الشركة بطاريات عالية السعة، وكثيفة الطاقة، وسريعة الشحن مع ريادة في الإنتاج الضخم للبطاريات الصلبة. بالنسبة لحلول تخزين الطاقة، تقدم سامسونج إس دي آي منتجات بطاريات تتراوح من حلول المنازل والحلول العامة والتجارية والصناعية المتكاملة مع مصادر الطاقة المتجددة إلى حلول إمداد الطاقة غير المنقطعة (UPS).
في قطاع التنقل الصغير، تصنع سامسونج إس دي آي بطاريات للنقل الخفيف الوزن والقصير المدى التي تأتي على شكل لوحات كهربائية، ودراجات كهربائية، وسكوترات كهربائية. في هذا القطاع، تستفيد الشركة من مواد ومكونات عالية المستوى لصنع أفضل بطاريات متاحة.
بالنسبة للدراجات الكهربائية، سامسونج إس دي آي تصنع بطاريات ذات كثافة طاقة عالية وأمان. هذه البطاريات أنحف وأخف وزنًا.
بالنسبة للمركبات الكهربائية ذات العجلتين – مثل السكوترات الكهربائية والدراجات النارية الكهربائية – تطور سامسونج إس دي آي بطاريات أسطوانية. تُصنع هذه البطاريات بمواد ذات سعة عالية، وتصاميم هيكلية فريدة، وجودة ثابتة، مما يجعلها آمنة ومناسبة للأداء العالي، وعمر بطارية طويل، وسلامة.
بالنسبة لأجهزة الطاقة، تمتلك سامسونج إس دي آي بطاريات ذات إخراج عالي وسعة عالية. كما توفر حلول بطاريات OPE المثلى ذات كثافة طاقة عالية، وإخراج طاقة مستقر، وعمر بطارية طويل. كما تصنع بطاريات ذات سعة وإخراج مميزين. أخيرًا، تنتج سامسونج إس دي آي بطاريات عالية الأداء وطويلة العمر لأجهزة تكنولوجيا المعلومات، بما في ذلك الهواتف الذكية والأجهزة القابلة للارتداء.
في أواخر يناير 2025، أعلنت سامسونج عن نتائج الربع الرابع والسنة الكاملة لعام 2024 بإيرادات سنوية بلغت 16.59 تريليون وون كوري (11.55 مليار دولار) وربح تشغيلي سنوي قدره 363.3 مليار وون كوري في ظل تباطؤ السوق. في الربع الرابع، بلغت إيرادات الشركة 3.75 تريليون وون كوري، مسجلة إيرادًا قياسيًا في قطاع بطاريات ESS.
2. إل جي إنرجي سولوشنز
في ديسمبر 2024، دخلت إل جي إنرجي سولوشنز في محادثات مع شركة جيه إس دبليو إنرجي الهندية لتصنيع بطاريات للمركبات الكهربائية وتخزين الطاقة المتجددة في مشروع مشترك سيتطلب استثمارًا يزيد عن 1.5 مليار دولار. وفقًا لتقارير متاحة للجمهور، وقع الشركتان اتفاقًا مبدئيًا لتشكيل شراكة متساوية حيث ستساهم LGES بالتقنية والمعدات لصنع البطاريات، وستستثمر جيه إس دبليو المال، وفقًا لأحد المصادر.
بشكل عام، تُعرف الشركة ببطاريات حلول تخزين الطاقة (ESS) والبطاريات المتقدمة للسيارات. يقدم قسم ESS منتجات عالية الطاقة وعالية الإخراج لشبكات الطاقة والمنتجات المنزلية المتنوعة. تُصنع هذه البطاريات باستخدام تقنية خلايا بطارية من الدرجة الأولى المستمدة من تطبيق معرفة عملية متقدمة في اللصق والتكديس، وهي تقنية مملوكة لشركة إل جي.
تتميز هذه البطاريات بإنتاج طاقة موحد، وعمر بطارية طويل، وبنية ثابتة. كما أن بطاريات LG ESS تتمتع بكفاءة مساحة محسنة بفضل حجمها المدمج. من خلال تطبيق خلايا بطاريات بوليمر عالية السعة ورفيعة جدًا في تطوير ESS للشبكات والسكن، تنتج الشركة منتجات رفيعة تعظم استغلال المساحة وتحتاج إلى مساحة تركيب قليلة.
تعد إل جي إنرجي سولوشنز أيضًا المزود الرائد للخلايا والوحدات وأنظمة إدارة البطاريات (BMS) ومنتجات الحزم لبطاريات المركبات الكهربائية. تشمل الحلول بطاريات ذات كثافة طاقة عالية تكون خفيفة الوزن وتُشحن بسرعة.
تضمن الأبعاد المتنوعة التي تأتي بها هذه البطاريات تعظيم المساحة من خلال حل مشكلة نقص المساحة المتاحة للمركبات التجارية. يمكن إنتاج خلايا البطاريات من نوع الجيب بأطوال وعروض مختلفة وتساهم في تعزيز سعة البطارية وتسمح بالتحسين.
في الأسبوع الأخير من يناير 2025، أعلنت إل جي إنرجي سولوشنز عن أرباح الربع الرابع والسنة الكاملة. بالنسبة للسنة الكاملة، أبلغت الشركة عن إيرادات موحدة بلغت 25.6 تريليون وون كوري وربح تشغيلي قدره 575.4 مليار وون كوري، بانخفاض سنوي بنسبة 24.1٪ و73.4٪ على التوالي. بلغت هامش الربح التشغيلي 2.2٪، بما في ذلك تأثير ائتمان الضريبة IRA.
مستقبل البطاريات
سيسعى مستقبل تكنولوجيا البطاريات وإدارة البطاريات إلى تحسينات في عدة مجالات. سيبحث عن طاقة نوعية وكثافة طاقة محسنة (مزيد من الطاقة المخزنة لكل وحدة حجم/وزن)، وعمر أطول، ومقاومة أقل للاشتعال، ومتطلبات زمنية أقل لشحن البطارية بالكامل، وتخفيض تكلفة الطاقة الموحدة (LOCE).
درس الباحثون مسار تكنولوجيا بطاريات الليثيوم-أيون للفترة من 2019 إلى 2030. أشاروا إلى أربعة أنواع محتملة من التكوينات التقنية: الليثيوم-أيون التقليدي، أنود غرافين‑سيليكون أو كاثود عالي النيكل، البطاريات الصلبة، والليثيوم‑كبريت/هواء. تشير الأرقام إلى أن تقنيات البطاريات الجديدة ستتفوق على الليثيوم-أيون التقليدي خلال العقد القادم.
سيتطلب ظهور تقنيات بطاريات جديدة إعادة النظر في اختيار مواد الكاثود والأنود. على سبيل المثال، البطارية التي تستخدم كاثود LFP لديها كثافة طاقة أقل من تلك التي تستخدم NMC. اختيار مادة الكاثود مهم لأنه يؤثر بشكل كبير على الطاقة النوعية على مستوى الخلية الكاملة.
اختيار مادة الأنود أيضًا أمر حيوي. عادةً ما تكون مادة الأنود هي الجرافيت، وتوفر مساحة لأيونات الليثيوم لتبقى عندما تكون البطارية مشحونة. عدد أيونات الليثيوم المخزنة يرتبط مباشرةً بكمية الطاقة الكهربائية المخزنة.
يلاحظ الباحثون انتقالًا تدريجيًا في تكنولوجيا الكاثود، حيث ينتقل النسبة النحاسية التقليدية من 50٪ إلى 80٪ و90٪ على التوالي لبطاريات NMC وNCA. لتلبية احتياجات السعة التي توفرها كاثودات النسبة العالية من النيكل، يزداد إضافة كمية قليلة من أكسيد السيليكون أو السيليكون النقي إلى أنودات الجرافيت شعبية بين صانعي الخلايا، وفقًا للتقارير.
تشمل تقنيات البطاريات الخمس الجديدة المتوقعة لإعادة تعريف المستقبل بطاريات نانو بولت الليثيوم-التنغستن، بطاريات أكسيد الزنك-منغنيز، بطاريات إلكتروليت أورغانسيلكون، بطاريات إلكتروليت جل أسلاك الذهب النانوية، وبطاريات TankTwo String Cell™.
على سبيل المثال، بطاريات نانو بولت الليثيوم-التنغستن تشحن بسرعة أكبر وتخزن طاقة أكثر. يمكن لبطاريات أكسيد الزنك-منغنيز أن تعمل بفعالية كبديل لبطاريات الليثيوم-أيون والرصاص-حمض، خاصةً لتخزين الطاقة على نطاق واسع لدعم شبكات الكهرباء الوطنية.
طور أساتذة الكيمياء في جامعة ويسكونسن-ماديسن، روبرت هامرز وروبرت ويست، مذيعات سائلة قائمة على الأورغانسيلكون (OS) يمكن هندستها على المستوى الجزيئي لسوق بطاريات الليثيوم-أيون الصناعي والعسكري والاستهلاكي.
مع الجل، الذي لا يكون قابلًا للاشتعال مثل السوائل، حاول الباحثون في جامعة كاليفورنيا، إيرفين، تغليف أسلاك الذهب النانوية بأكسيد المنغنيز ثم تغطيتها بجل إلكتروليت.
بينما تكون الأسلاك النانوية عادةً هشة جدًا للاستخدام في البطاريات، أصبحت هذه الحلول قوية، واكتشف الباحثون أن القطب الناتج خضع لـ 200,000 دورة دون أن يفقد قدرته على الاحتفاظ بالشحنة. وهذا مقارنةً بـ 6,000 دورة في بطارية تقليدية.
احتوت بطارية String Cell™ مجموعة من الخلايا الصغيرة المستقلة ذاتية التنظيم. كل خلية سلاسل تتكون من غلاف بلاستيكي مغطى بمواد موصلة تسمح لها بسرعة وسهولة تكوين اتصال مع الخلايا الأخرى. يتحكم وحدة معالجة داخلية في الاتصالات داخل الخلية الكهروكيميائية.
لتسهيل الشحن السريع لمركبة كهربائية، تم سحب الكرات الصغيرة الموجودة داخل البطارية واستبدالها بخلايا مشحونة في محطة الخدمة. في المحطة، يمكن شحن الخلايا خلال ساعات انخفاض الطلب.
مع كل هذه الحلول المتاحة لنا، ينتظرنا عدة اختراقات في مجال البطاريات في المستقبل.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل 10 أسهم بطاريات للاستثمار فيها.
مرجع الدراسة:
1. Zhang, M., Tantratian, K., Ham, S.-Y., Wang, Z., Chouchane, M., Shimizu, R., Bai, S., Yang, H., Liu, Z., Li, L., Avishai, A., Chen, L., & Meng, Y. S. (2025). Grain selection growth of soft metal in electrochemical processes. Joule. Available online 10 فبراير 2025. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101847
