بطاريات فائقة المتانة: لماذا ستستمر التقنية الجيلية القادمة لعقود، وليس مجرد سنوات

البطاريات المصممة لتدوم

مع تحول العالم إلى الكهرباء والانتقال إلى الطاقة المتجددة، يزداد الحاجة إلى تخزين الطاقة. يأتي ذلك جزئياً نتيجة الانتقال إلى السيارات الكهربائية، ولكن أيضاً بسبب الطبيعة المتقطعة لإنتاج الطاقة المتجددة.

يمكن تعويض ذلك جزئياً بمصادر طاقة منخفضة الكربون أخرى، مثل الطاقة المائية أو النووية، أو ربما الطاقة الحرارية الجوفية في المستقبل. ومع ذلك، يفضل مؤيدو الطاقة الخضراء أن تكون الطاقة الشمسية (والرياح) منخفضة التكلفة هي أساس أنظمتنا الطاقية.

هذا يخلق طلباً على بطاريات ذات خصائص أساسية مختلفة عن تلك المطلوبة للتنقل.

تحتاج السيارات الكهربائية إلى بطاريات ذات كثافة طاقة عالية تكون خفيفة الوزن وصغيرة الحجم بما يكفي لتوضع في هيكل السيارة. المتانة تشكل قلقاً، ولكن طالما أن البطارية يمكن أن تعمل لمدة 10-15 سنة، فإن ذلك يتماشى مع متانة باقي مكونات السيارة.

على النقيض، لا تُقيد بطاريات تخزين الطاقة بالوزن أو الحجم إلى حد كبير. ومع ذلك، فإنها مقيدة بالتكلفة، لأنها تشكل تكلفة إضافية لإنتاج الطاقة الخضراء وشبكة الكهرباء.

إحدى الطرق لتقليل تكلفة تخزين الطاقة هي استخدام مواد أقل تكلفة من الليثيوم في بناء البطارية. يتم النظر في العديد من البدائل، كما ناقشنا سابقاً في “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”: بطاريات تستخدم تقنيات مثل الصوديوم-أيون، الحديد-هواء، الزنك، ملح البحر، البوليمرات، الصوديوم-كبريت، أو حتى المعادن المنصهرة.

عنصر أساسي آخر في تقليل تكلفة عمر البطارية هو جعلها تدوم لعقود عدة. من خلال استهلاك الاستثمار على مدى سنوات عديدة، يصبح تكلفة رأس مال البطارية أقل بكثير على أساس سنوي. وهذا ما يجعل شركات المرافق العامة أكثر ارتياحاً، لأنها معتادة على استهلاك محطات الطاقة الجديدة على مدى 30-50 سنة.

لماذا تفشل البطاريات؟

الموت بسبب التشعبات

قبل بناء بطارية تدوم تقريباً إلى الأبد، نحتاج إلى النظر في سبب فقدان معظم البطاريات لشحنها مع مرور الوقت أو توقفها عن العمل.

أحد العوامل الرئيسية، خاصة في بطاريات الليثيوم-أيون، هو نمو التشعبات. هذه البنية الشبيهة بالستالاكتيت تنمو نتيجة تراكم غير صحيح للمعادن داخل البطارية، ومع الوقت يمكن أن تكسر الحاجز بين القطب الموجب والقطب السالب، مما قد يؤدي إلى قصر كهربائي وحريق كارثي.

المصدر: Nobel Prize

بسبب خطر الحريق هذا، تُعد التشعبات مشكلة خطيرة بشكل خاص لشركات المرافق، حيث يمكن أن ينتشر الحريق في خلية بطارية واحدة بسرعة إلى حديقة ضخمة من البطاريات القريبة التي تبلغ قيمتها مليارات الدولارات. لذا، من المثالي أن تكون تقنية البطارية المصممة لتدوم خالية تقريباً من خطر تكوين هذه التشعبات.

يجب الإشارة أيضاً إلى أن التشعبات تُناقش غالباً في بطاريات الليثيوم-أيون، لكنها مشكلة شائعة في معظم البطاريات التي تستخدم أقطاباً معدنية سواءً في الأنود أو الكاثود.

فقدان الشحن

طريقة أخرى لفشل البطاريات هي فقدان سعتها لتخزين الطاقة ببطء. عادةً ما يكون ذلك نتيجة لتراكم بعض المعادن المستخدمة في القطب ببطء في شكل لا يمكن تحويله إلى شيء مفيد.

المصدر: EnergSoft

يمكن أن تكون الأسباب الأخرى تشققات صغيرة ناتجة عن الإجهاد الميكانيكي والحراري، فقدان التكامل الهيكلي، تراكم الترسبات غير المرغوب فيها، إلخ.

المصدر: EnergSoft

كلما كانت تقنية البطارية أكثر عرضة لهذا التحلل البطيء، كلما انخفض الشحن الكلي تدريجياً، مما يجعل البطارية غير صالحة للاستخدام. بالإضافة إلى ذلك، تميل البطاريات المتدهورة إلى الاحتفاظ بالشحن بشكل أقل وإهدار المزيد من الطاقة المخزنة، مما يجعلها أقل ربحية.

لذلك، يجب أن تكون تقنية البطارية المثالية غير عرضة للتحلل البطيء لموادها المكونة، أو يمكن تجديدها بانتظام إلى حالة مثالية دون الحاجة إلى إعادة تدوير النظام بالكامل.

إذا كنت ترغب في معرفة تفاصيل كيفية تحلل البطاريات، يمكنك أيضاً الاطلاع على هذا الفيديو الذي يبلغ طوله 22 دقيقة:

عمر دورة الشحن

قد يكون قياس متانة البطارية أمرًا معقدًا. على سبيل المثال، تُقاس معظم أنظمة بطاريات السيارات الكهربائية عادةً على أساس المسافة المقطوعة لكل ميل، أو مقدار المسافة التي يمكن للسيارات الكهربائية قطعها قبل الحاجة إلى حزمة بطارية جديدة.

طريقة أخرى لقياسها هي عدد دورات الشحن والتفريغ التي يمكن إجراؤها قبل أن تفقد البطارية جزءًا كبيرًا من شحنها الكلي. بالنسبة لتخزين الطاقة، من المتوقع حدوث دورة شحن وتفريغ منتظمة تصل إلى 1-3 مرات في اليوم.

أخيرًا، مدة احتفاظ البطارية بالشحن أيضاً سؤال مهم، حيث أن معظم البطاريات تفقد جزءًا صغيرًا من شحنها كل يوم. في الوقت نفسه، قد يتوقف الرياح عن الهبوب لأسابيع، وأيام الشتاء هي التي تشهد أقل كمية من الشمس وأعلى استهلاك للطاقة، خاصةً في المناخات الباردة. لذا، من الناحية النظرية، تكون البطارية القادرة على نقل الطاقة دون فقد كبير لأسابيع أو حتى أشهر هي الخيار المثالي.

تحمل درجات الحرارة

معظم تقنيات البطاريات قد تكون غير متسامحة إلى حد كبير مع البرودة، خاصةً درجات الحرارة التجمدية. بما أن تخزين الطاقة على نطاق واسع من المحتمل أن يتم في الهواء الطلق بالقرب من محطة طاقة، فإن ذلك قد يشكل مشكلة جدية في المناخات الباردة خلال الشتاء. إذا تم استخدام جزء كبير من الطاقة المخزنة لتدفئة البطاريات، فإن ذلك قد يؤثر بشدة على اقتصاد تشغيل هذه البطاريات.

تقنيات البطاريات فائقة المتانة

بطاريات خلية النحل

حتى إذا كانت الكيميائيات البديلة في النهاية هي الفائزة في تشغيل شبكة طاقة تعتمد بالكامل على المتجددة، فإن مصنعي البطاريات يبحثون أيضاً عن طرق لجعل تقنيتهم الحالية أكثر متانة.

أحد هذه الأمثلة هو بطاريات خلية النحل التي تطورها شركة CATL (300750.SZ) honeycomb batteries. عملاق البطاريات CATL، الذي ينتج أكثر من نصف بطاريات العالم، يراهن بقوة على هذه التقنية. يبدو أنها تستند جزئياً إلى فكرة تم اقتراحها في ورقة علمية عام 2020 بعنوان “Stretchable lithium-ion battery based on new micro-honeycomb structure”.

المصدر: Phys.org

من ورقة علمية عام 2021، يمكننا التعرف على بعض المزايا الرئيسية لأشكال خلية النحل، لا سيما الكثافة المنخفضة والخصائص العالية للضغط والقص خارج المستوى (مقاومة المواد للقوى التي تعمل بشكل متوازي ولكن في اتجاهات معاكسة).

هذا التغيير في التكوين الفيزيائي للبطارية يحافظ على المادة في المكان الصحيح، مما يجنب التشققات والانكماش أثناء الشحن.

على الرغم من عدم وضوح طريقة تنفيذ CATL، إلا أن بعض هذه الأساليب معروفة؛ على سبيل المثال، يمكن للمعالجات الحرارية والكيميائية المتتالية باستخدام الكربون والحمض أن تخلق بنية نانو-خلية النحل.

المصدر: Chemistry Europe

المصدر: Chemistry Europe

بشكل عام، يبدو أن بنية بطارية خلية النحل تتجنب تشكل التشعبات والتشققات، مما يخلق بطارية فائقة المتانة مع الاعتماد على مبدأ معروف جيدًا لتقنيات بطاريات الليثيوم-أيون وLFP (فوسفات الحديد الليثيوم).

من المحتمل أن تكون هذه التقنية في صميم المنتج الجديد لشركة CATL، وهو نظام بطارية TENER المعبأ LFP، الذي أظهر عدم حدوث أي تدهور في السعة بعد خمس سنوات كاملة من التشغيل.

يبدأ الآن نظام TENER في أن يتم تسويقه من قبل CATL لشركات المرافق.

المصدر: Sustainability Environment

بطاريات الحالة الصلبة

إلى جانب تعديل الكيمياء، يمكن تغيير طريقة بناء البطاريات لتصبح أكثر كثافة ومتانة.

هذه هي الفكرة وراء بطاريات الحالة الصلبة، التي تستبدل الكهرل السائل في معظم تصاميم البطاريات بطبقة صلبة من المعدن. من الناحية النظرية، يجب أن تكون هذه البطاريات الأكثر طاقة، رغم أنها قد لا تكون الأرخص.

حتى وقت قريب، كان تنفيذ هذه الفكرة على نطاق واسع صعبًا، لأنها تتطلب اتصالًا مثاليًا بين طبقات المعدن. كما أن الحركة الميكانيكية أثناء الشحن والتفريغ غالبًا ما تؤدي إلى تشكل تشققات.

المصدر: Flash Battery

ومع ذلك، التطور الأخير من قبل العديد من الشركات مثل QuantumScape (QS )، تويوتا (TM )، سامسونج SDI (006400.KS) أو هيونداي (HYMTF) من مصانع البطاريات والإنتاج الضخم للسنوات 2028-2030 تشير إلى أن التقنية أصبحت ناضجة الآن.

نظريًا، يمكن للبطاريات الصلبة المتطورة أن تحل تدريجيًا محل جميع بطاريات الليثيوم-أيون، وLFP، وحتى بطاريات الصوديوم-أيون في السيارات الكهربائية.

ما يزال السعر النهائي غير معروف عندما تُنتج على نطاق واسع لتحديد ما إذا كانت ستكون رخيصة بما يكفي لتطبيقات تخزين الطاقة على الشبكة. ربما مفاهيم خاصة مثل بطاريات الصوديوم الصلبة الخالية من الأنود قد تُدير هذه المهمة، لأنها ستتجنب استخدام الليثيوم المعدني المكلف.

(يمكنك معرفة المزيد عن فرص الاستثمار في هذه التقنية في “5 Best Solid-State Battery Stocks to Watch or Buy”).

بطاريات الزنك

نظرًا لأن الزنك معدن رخيص ومتوافر بكثرة، فقد تم استخدامه في بطاريات غير قابلة لإعادة الشحن لفترة طويلة. يمكن أيضًا بناء بطاريات قابلة لإعادة الاستخدام باستخدام الزنك، لا سيما بطاريات الزنك المائية (ZABs).

ومع ذلك، فإن هذا التصميم يعاني من تكوين التشعبات، وتفاعل تطور الهيدروجين الطفيلي (HER)، وتحييد تآكل السطح، مما يقلل من فائدته بشكل كبير.

يتغير هذا بفضل الأبحاث الجديدة التي أجريت في الجامعة التقنية بميونخ¹. استخدموا بوليمر عضوي مسامي يُدعى TpBD-2F. يشكل هذا المادة طبقة ثابتة، رقيقة جدًا، ومنظمة بشكل عالي على أنود الزنك، مما يسمح لأيونات الزنك بالتدفق بكفاءة عبر القنوات النانوية مع إبعاد الماء عن الأنود.

المصدر: Advanced Energy Materials

توفر الخلايا الكاملة المجمعة (مكثفات أيون الزنك) عمر دورة فائقة طويلة يتجاوز 100,000 دورة، متانة مذهلة، بفضل القمع شبه الكامل لتكوين التشعبات، بالإضافة إلى عدم وجود HER أو تآكل.

بالإضافة إلى بطاريات الزنك، يعتقد الباحثون أن هذا المفهوم يمكن توسيعه إلى أنودات معدنية أخرى: الليثيوم، الصوديوم، البوتاسيوم، الألمنيوم، إلخ.

بطاريات بوليمر TAQ وبطاريات الصوديوم-أيون

يمكن أن يكون استخدام البوليمر (الكربون) والصوديوم بدلاً من الليثيوم وسيلة رائعة لتقليل سعر المواد الخام المستخدمة في البطارية. هذا ما جمعه الباحثون في MIT في بطاريتهم الصوديوم-أيون TAQ.

في الاختبارات الأولية، تمكنت من إكمال 2,000 دورة شحن وتفريغ دون تدهور واضح، مع أداء بكثافة طاقة أعلى من بطاريات الليثيوم وشحن فائق السرعة خلال 6 دقائق.

هذا يُظهر أنه في النهاية، قد لا تكون كيمياء البطارية التي من المرجح أن تفوز بسباق البطاريات فائقة المتانة مجرد نسخة محسنة من الحالية، بل إعادة تفكير جذرية في المواد التي يمكن استخدامها في البطارية، مع عناصر رخيصة ومتوفرة مثل الكربون والصوديوم كمرشحين جيدين.

بطاريات المعادن المنصهرة

معظم مفاهيم البطاريات تعتمد على نقل الإلكترونات بين حالة أكسدة واحدة لذرات المعدن الصلب إلى حالة أكسدة أخرى. في هذه الأنظمة، يجب أن تكون الأنودات والكاثودات مفصولة تمامًا لتجنب القصر الكهربائي.

كلما زاد المعدن وقلّت الأجزاء السائلة مثل الكهارل، كان ذلك أفضل، كما هو الحال في بطاريات الحالة الصلبة، وهذا هو الاتجاه الذي تسلكه معظم صناعة البطاريات.

من خلال توسيع ما يمكن اعتباره بطارية بشكل جذري، تقوم بطاريات المعادن المنصهرة بالعكس: جميع المكونات الثلاثة الرئيسية، الأنود، الكاثود، والكهرل، هي سائلة.

تنفصل تلقائيًا عن بعضها بفضل اختلاف كثافات السوائل. حقيقة عدم وجود مكونات صلبة يجب أن تزيد، من الناحية النظرية، من عمر البطارية بشكل كبير، بالإضافة إلى السماح لها بالشحن والتفريغ بسرعة كبيرة وإمكانية إعادة تدويرها بالكامل.

المصدر: Ambri

شركة Ambri المدعومة من بيل غيتس، التي تستخدم بطارية من الكالسيوم والأنتيمون، كانت رائدة في هذه التقنية. كانت تخطط إلى produce 200,000 battery cells per year in its new factory by 2024.

ومع ذلك، لم يتحقق ذلك، حيث نفدت أموال الشركة قبل أن تتمكن من توسيع الإنتاج. ومن منذ ذلك الحين خرجت من الفصل 11 من الإفلاس في صيف 2024، وستظل بقيادة المؤسس المشارك الدكتور ديفيد برادويل كرئيس تنفيذي لها.

نتطلع إلى تقديم منتجنا التجاري الفريد، الآمن، ومنخفض التكلفة لعملائنا على نطاق واسع، لتلبية الطلب القوي من العملاء على أنظمة بطارياتنا، وللمستقبل الطاقي الأنظف.

مع بدء هذه المرحلة الجديدة بميزانية أقوى ورأس مال جديد، نركز على وضع Ambri لتلعب دورًا رائدًا في سوق تخزين الطاقة طويل الأمد لصالح أصحاب المصلحة لدينا.

— ديفيد برادويل

لذلك، لا تزال شركة Ambri حية، وهي ليست الشركة الوحيدة التي تعمل على بطاريات منصهرة. شركة NGK العازلة اليابانية (NGKIF) تعمل أيضًا على بطارية ملح منصهر صوديوم-كبريت، وشركة Horien تعمل على بطارية صوديوم-نيكل-كلوريد.

كلا منتجي الشركتين تم تسويقهما بالفعل ومصنّفان لعمر افتراضي يزيد عن 20 سنة.

بطاريات الحرارة / الحرارية

بتوسيع تعريف البطارية أكثر من ذلك من تخزين الكهرباء إلى أي تخزين للطاقة، تقوم بطاريات الحرارة بتخزين الطاقة الخضراء على شكل حرارة بدلاً من الطاقة الكهروكيميائية.

يمكن أن يجلب ذلك عدة مزايا مهمة مقارنةً بالبطاريات “العادية”:

• الاحتفاظ بالحرارة لعدة أشهر ممكن تمامًا مع عزل كافٍ، بينما ستسرب البطاريات الكيميائية دائمًا المزيد من الطاقة على أساس يومي.
• معظم المادة التي تحتفظ بالحرارة يمكن أن تخضع لمئات الآلاف من دورات دون تدهور كبير.
• المواد المستخدمة رخيصة ومتوفرة، مثل، على سبيل المثال، الرمل أو الكربون النقي.

إن الجمع بين المواد الرخيصة، تقريبًا عدم وجود تدهور على مدى عقود، واحتفاظ الطاقة لعدة أشهر يجعل بطاريات الحرارة مرشحًا جيدًا.

تستكشف هذه الفكرة في الغالب شركات خاصة، لا سيما الشركة الفنلندية Polar Night Energy، التي تخزن الطاقة الزائدة من الصيف إلى الشتاء، باستخدام رمل منخفض الجودة وقليل من المعدن للإطار والأنابيب.

المصدر: Polar Night Energy

بطارية حرارة مماثلة تم تصورها من قبل Rondo Energy، باستخدام طوب سيراميك يمكن تسخينه حتى 1500 درجة مئوية، واستخدام الحرارة في عمليات صناعية مثل إنتاج الأسمنت أو الصلب.

المصدر: Rondo Energy

بشكل عام، يمكن أن تكون هذه خيارًا رائعًا لإزالة الكربون من القطاعات التي لا تزال تستهلك الكثير من الوقود الأحفوري، مثل الصناعة الثقيلة وتدفئة الشقق في الشتاء. خاصةً أن التصميم يمكن أن يساعد في تخزين الطاقة من صيف مشمس إلى شتاء غائم.

يمكن حتى تحويل الحرارة المخزنة مرة أخرى إلى طاقة، بفضل خلايا الطاقة الحرارية الضوئية، حيث طور باحثون في جامعة ميتشغان خلايا ذات كفاءة قياسية بلغت 44٪².

المصدر: Design Boom

الخلاصة

من المحتمل أن تكون أنظمة البطاريات لشبكات الكهرباء والمنازل أقل اعتمادًا على تقنية الليثيوم-أيون الحالية وأكثر اعتمادًا على تقنيات أرخص وأكثر متانة، حتى وإن كانت أقل كثافة طاقة. في الوقت الحالي، الأنظمة الجاهزة للتسويق الجماعي هي بطاريات LFP ذات بنية خلية النحل المتقدمة وبطاريات الصوديوم-أيون.

على المدى الطويل، من المرجح إضافة حلول أكثر غرابة إلى المزيج، مثل بطاريات المعادن المنصهرة، الزنك، البوليمر، أو بطاريات الحرارة. في النهاية، ستشكل المتانة وتكلفة المواد وتكلفة التصنيع العامل الحاسم لتحديد أي منها سيكون “النهاية النهائية” لتخزين الطاقة فائقة المتانة.

أي أن، إذا لم تكن بطاريات الحالة الصلبة رخيصة بما يكفي لتستولي على سوق تخزين الطاقة بأكمله، وهو احتمال واضح.

شركة البطاريات فائقة المتانة

QuantumScape

منذ تأسيسها في عام 2010، كانت شركة QuantumScape الكاليفورنية شركة ناشئة بارزة في مجال بطاريات الحالة الصلبة، مميزة بدخولها المبكر إلى هذا المجال، واستقلالها عن الشركات المصنعة الكبرى للبطاريات التي تسعى أيضًا إلى تقنية الحالة الصلبة، مثل CATL (300750.SZ)، سامسونج، أو LG Energy Solution (373220.KS).

المصدر: QuantumScape

إحدى الميزات الفريدة لبطاريات QuantumScape، التي كانت في ذلك الوقت تُعتبر ثورية، هي استخدامها لتصميم خالٍ من الأنود. يسمح بشحن سريع يستغرق حوالي 15 دقيقة (من 10% إلى 80% عند 45 درجة مئوية) ويكون الفاصل غير قابل للاشتعال ولا يشتعل.

المصدر: QuantumScape

هذا يضع بطاريات QuantumScape أيضًا في فئة خاصة عندما يتعلق الأمر بكثافة الطاقة وسرعة الشحن، متفوقة بشكل كبير على القادة مثل Tesla (سواءً تصميمها الخاص أو تلك المصنوعة من قبل CATL).

المصدر: QuantumScape

مع ذلك، تم إعاقة هذه الأداءات المذهلة بانتظام بسبب صعوبة زيادة الإنتاج. كما أجبر ذلك الشركة على استهلاك احتياطياتها النقدية، مما أدى إلى تخفيض حصة المستثمرين السابقين وانخفاض أسعار الأسهم.

يبدو أن هذا يتغير منذ الاتفاقية لعام 2024 مع PowerCo، قسم بطاريات مجموعة فولكس فاجن، للحصول على ترخيص لتصميم وإنتاج بطاريات QuantumScape على نطاق واسع من قبل PowerCo.

بموجب اتفاقية الترخيص غير الحصرية، يمكن لـ PowerCo تصنيع ما يصل إلى 40 جيجاواط-ساعة سنويًا من بطاريات السيارات الكهربائية، مع خيار التوسع إلى 80 جيجاواط-ساعة في السنة.

يبدو أن الزيادة المفاجئة في إنتاج QuantumScape مرتبطة بـ Cobra، معدات الفصل للبطاريات الصلبة من الجيل التالي للشركة، وهو اختراق في تصنيع السيراميك.

بشكل عام، من المتوقع دمج Cobra في الإنتاج عام 2025، وسيتم إنتاج أول سيارة كهربائية نهائية تستخدم بطاريات QuantumScape في عام 2026.

المصدر: QuantumScape

قد يكون هذا نقطة تحول للشركة، حيث تنتقل بعد 16 عامًا من تأسيسها من شركة ناشئة واعدة ذات حقوق ملكية فكرية مثيرة إلى تحقيق إيرادات متزايدة من شراكة مع واحدة من أكبر شركات تصنيع السيارات في العالم.

في الوقت نفسه، يجب أن يتوقع المستثمرون بعض التقلبات في سعر السهم، لكن هناك بصيص أمل في نهاية نفق تطوير المنتج.

آخر المستجدات حول QuantumScape

مرجع الدراسة:

^{1. Da Lei, et al, (2024) Ion-Transport Kinetics and Interface Stability Augmentation of Zinc Anodes Based on Fluorinated Covalent Organic Framework Thin Films. Advanced Energy Materials. 13 أكتوبر 2024}

^{2. Bosun Roy-Layinde, et al. (2024) High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells. Joule. Volume 8, Issue 7, p2135-2145. 17 يوليو 2024.}