يستمر العمل على بطاريات الحالة الصلبة حيث يركز الباحثون على الأساسيات

بطاريات الحالة الصلبة، التي تستخدم في الهواتف الذكية والأدوات الكهربائية والمركبات الكهربائية، تختلف عن بطاريات الليثيوم الأيونية في استخدامها للكهرباء. في حين أن بطارية الليثيوم الأيونية تستخدم كهرباء سائلة، تستخدم بطارية الحالة الصلبة كهرباء صلبة.

في حالة بطاريات الليثيوم الأيونية، هناك حاجز للفصل بين الكاثود والأنود. في بطاريات الحالة الصلبة، تعمل الكهرباء الصلبة كحاجز أيضًا.

على الرغم من أن هذه هي سمات تمييزية فقط، إلا أن المجتمع العلمي والتكنولوجي طور بطاريات الحالة الصلبة لأنها تتمتع bằng استقرار معزز مع هيكل صلب وزيادة في السلامة. يستمر العمل عليها لأنها تحتفظ بشكلها حتى إذا تضررت الكهرباء.

تأتي بطارية الحالة الصلبة مع كثافة طاقة أعلى وتقلل من خطر الانفجار أو الحريق. منذ أن لا تتطلب دعم مكونات السلامة، يكون هناك مساحة أكبر لإدراج المواد الفعالة، مما يزيد من سعة البطارية. كما أن كثافة الطاقة المعززة تضمن أن الحاجة إلى البطاريات تظل منخفضة، مما يؤدي إلى نظام بطارية مركبات كهربائية مثالي للوحدة وال包ش.

لمنافع هذه، بشكل رئيسي، يعتقد خبراء السوق أن بطاريات الحالة الصلبة ستظهر كعامل تغيير في جعل المركبات الكهربائية تتنافس مع المركبات التي تعمل بالوقود الحفري، و في النهاية، تتجاوزها في السباق. لكن هذا لا يمنع الباحثين من استكشاف كيف يمكن جعل بطاريات الحالة الصلبة أكثر فائدة.

في بحث واحد،提出了 حالة بطارية ليثيوم معدنية ذات كثافة طاقة عالية وموصلية كهربائية جيدة.

في حين أن كل هذا قد يبدو تقنيًا للغاية، في القسم القادم، سنقوم بفهم ما يهدف البحث لتحقيقه!

تمكين منصة بطارية ليثيوم معدنية الحالة الصلبة ذات استقرار و كثافة طاقة عالية

الأستاذ Byoungwoo Kang والدكتور Abin Kim من قسم علوم و هندسة المواد في POSTECH طوروا كهرباء صلبة تمكن من بطارية ليثيوم معدنية ذات استقرار و كثافة طاقة عالية.

الانطلاقة الناجحة تمت بتحقيق نتائج من خلال حل واحدة من أكثر القضايا شيوعًا التي تواجهها بطاريات الحالة الصلبة. ما كانت هذه المشكلة، وكيف يمكن حلها؟ دعونا ننظر في ذلك بالتفصيل أدناه!

قضية LLZO

الكهرباء الصلبة من النوع الغارنتي المستخدمة في بطاريات الحالة الصلبة، والتي تعرف أيضًا باسم Li7La3Zr2O12 أو LLZO، تتمتع bằng موصلية أيونية عالية. وفي الوقت نفسه، هي أيضًا Highly phản ứng وتشكل طبقة تلوث (Li2CO3) على سطحها عند التعرض للهواء. هذه الطبقة ت伴يها عدة عيوب أو عوائق، بما في ذلك تشكيل حاجز مقاوم في بنية الخلية، وتقليل الخصائص التماسكية و التماسك للكهرباء و المواد الكيميائية، وغيرها.

الابتكار تولى هذه العائق و حولها إلى حل بتركيز على الأساسيات بدلاً من العمل على علاج خارجي. طور الباحثون تقنية LLZO قابلة للتعامل مع الهواء (AH-LLZO) التي يمكن أن تعزز الخواص السطحية و الداخلية لل LLZO و تمنع تشكيل طبقات التلوث.

حققوا هدفهم بتحقيق مركب هيدروفوبي جديد (Li-Al-O) على السطح و داخل المادة. هذا المركب منع التلوث من الانتشار داخليًا عن طريق جعل الطبقة تتفاعل فقط مع الرطوبة في الهواء.

الطبقة كحل مع تحسين الخصائص التماسكية و الرطوبة أدت إلى تطوير بطاريات ليثيوم معدنية الحالة الصلبة رقيقة جدًا، تقريبًا عُشر سمك شعرة الإنسان.

انقر هنا للاطلاع على قائمة أفضل عشرة أسهم بطارية للاستثمار فيها.

لماذا يُعتبر البحث اختراقًا?

النتائج أدت إلى سيناريو يمكن من خلاله تحضير طبقات ليثيوم معدنية رقيقة جدًا، مما يؤدي إلى نسبة سعة صغيرة للأنود إلى الكاثود، حول 0.176 في بطاريات الحالة الصلبة.

الexperiment يسمح أيضًا بتقليل كبير في كمية الليثيوم المعدني المستخدمة، مما يقلل من وزن و حجم البطارية بشكل كبير و يعزز كثافة الطاقة بشكل كبير.

إذا تم تنفيذها، فإن البحث و النتائج ستمكن من التخزين في الهواء دون الحاجة إلى معالجة أو مرافق خاصة. بالإضافة إلى تبسيط العملية بأكملها، فإن الابتكار يؤدي إلى إنتاج كهرباء صلبة من النوع الغارنتي مع praktische أكثر من قبل.

في حديثه عن المستقبل، قال الأستاذ Byoungwoo Kang:

“سوف نستمر في العمل على بطاريات ليثيوم معدنية الحالة الصلبة رقيقة جدًا التي يمكن أن تحقق سلامة عالية و كثافة طاقة عالية.”

يظهر البحث أن التركيز على الأساسيات يمكن أن يساعدنا على تحويل عيوب المنتج إلى قوته. الشركات و الكيانات التجارية تستثمر في البحث و الموارد لجعل بطاريات الحالة الصلبة أكثر ملاءمة و مفيدة للمركبات المستقبلية. في الأقسام التالية، ننظر إلى هذه الشركات و ابتكاراتها.

#1. Solid Power

إحدى الشركات التي تقوم بعمل استثنائي في هذا المجال هي Solid Power. بطارياتها الصلبة تمامًا توفر طاقة عالية، و سلامة محسنة، و عمر أطول، و فوائد تكلفة كبيرة.

تسمح باستخدام أقطاب ذات سعة أعلى مثل السيليكون و الليثيوم المعدني، مع تحسين معايير السلامة عن طريق إزالة المكونات السائلة و الجيلية التفاعلية و المتفجرة.

النتيجة واضحة في بطاريات يمكن أن تتحمل و تعمل بكفاءة في درجات حرارة عالية للغاية. تدعي الشركة أن منتجاتها تتمتع بميزة تكلفتية تتراوح بين 15-35% مقارنة بالحزم الليثيوم الأيونية.

يتضمن محفظة بطاريات Solid Power الصلبة تمامًا ثلاثة منتجات رئيسية: خلية السيارات الكهربائية السيليكونية، و خلية الليثيوم المعدني، و خلية التفاعل.

خلية السيارات الكهربائية السيليكونية

تتميز bằng أنود سيليكوني عالي المحتوى، مما يؤدي إلى معدلات شحن عالية و قدرات منخفضة للحرارة. تعمل خلية السيليكون على أساس كهرباء صلبة كبريتيدية مملوكة للشركة.

خلية الليثيوم المعدني

تستمد الخلية اسمها من أنودات الليثيوم المعدني عالي الطاقة. تتمتع بخاصية أفضل قليلاً من خلية السيارات الكهربائية السيليكونية، التي تتمتع بسعة 390 واط/كغ، بينما تتمتع خلية الليثيوم المعدني بسعة 440 واط/كغ.

خلية التفاعل

تتميز خلية التفاعل بأداء أقصى في محفظة Solid Power، مع سعة 560 واط/كغ. تمتاز بكتلة كاثودية منخفضة التكلفة و عالية الكفاءة.

تقع Solid Power في كولورادو، الولايات المتحدة الأمريكية، و تؤمن ب潜عة تحويلية لبطارياتها الصلبة تمامًا. تعتقد أن خلايا بطاريات الحالة الصلبة الصلبة تمامًا ستلبي متطلبات الحجم و التكلفة للمصنعين الأصليين.

في آخر تقديم استثماري متاح، تدعي الشركة (ناسداك: SLDP) أنها الشركة العامة الوحيدة المملوكة للقطاع الخاص التي طورت بطاريات صلبة تمامًا حقيقية و جمعت 700 مليون دولار حتى الآن. تعتمد الشركة على تاريخ استثمار بحثي يزيد عن عقد من الزمن، مما أدى إلى أكثر من 50 عائلة براءات اختراع عالمية و ثلاثة شركاء تطوير رائدون (بي إم دبليو، فورد، إس كي أون).

#2. QuantumScape

QuantumScape، لاعب رئيسي آخر في هذا المجال، يعلن أنه على مهمة “تحويل تخزين الطاقة مع تقنية بطارية ليثيوم معدنية الحالة الصلبة”. كما يعلن أنه يسمح بزيادة في كثافة الطاقة، و شحن أسرع، و سلامة محسنة – الثلاثة خصائص الأساسية التي يركز عليها بحث POSTECH أيضًا.

إحدى السمات البارزة لشركة QuantumScape هي أنها طورّت تصميم خلية بدون أنود، مما يؤدي إلى كثافة طاقة عالية مع تقليل التكاليف المواد و تبسيط التصنيع.

تستخدم منصة تقنية QuantumScape مجموعة متنوعة من كيميائيات الكاثود لتحسين كثافة الطاقة بشكل كبير لبطاريات الخلايا الحالية التي تعتمد على النيكل و المنجنيز و الكوبالت (NMC) و الفوسفات الحديدية الليثيوم (LFP). تضمن هذه الجهود تحسينًا لتنوع تطبيقات تخزين الطاقة و الحفاظ على مجال جاهز للاستفادة من تقدم كيمياء الكاثود في المستقبل.

ميزة أخرى للشركة هي مادة الفاصل، التي تُصنع من السيراميك التي توفر موصلية عالية، و استقرار للليثيوم المعدني، و مقاومة لتكوين الدندريات، و مقاومة واجهية منخفضة. ميزة أخرى للسيراميك هي أنها توفر سلامة محسنة لأنها غير قابلة للاشتعال و أكثر أمانًا من الفواصل البوليمرية التقليدية التي تتكون من الهيدروكربونات و أكثر عرضة للاشتعال.

تستهدف QuantumScape 800-1000 واط/لتر مع خلايا ليثيوم معدنية الحالة الصلبة.

QuantumScape (NYSE: QS) مدعوم بمزيد من 2 مليار دولار من استثمارات رأس المال. لديها أكثر من 300 براءة اختراع و طلب براءة اختراع.

مستقبل بطاريات الحالة الصلبة

بطاريات الحالة الصلبة لم تعد تكنولوجيا المستقبل فإن المستقبل قد وصل بالفعل. العديد من الأبحاث الرائدة من المعاهد الرائدة تتقدم قضيته كل يوم.

في يناير 2024، على سبيل المثال، قدم باحثون من مدرسة هارفارد للهندسة و العلوم التطبيقية (SEAS) بطارية الحالة الصلبة مع ليثيوم معدني قادرة على تقديم 6000 دورة شحن و تفريغ—أكثر من أي خلية بطارية أخرى في السوق.

البحث مشابه للبحث الذي أشرنا إليه في بداية مقالنا، حيث تعامل باحثو هارفارد أيضًا مع مشكلة تكوين الدندريات على سطح الأنود.

إلى جانب الشركات المتخصصة التي ناقشناها، بما في ذلك Solid Power و QuantumScape، هناك أسلحة ثقيلة متورطة في هذا المجال أيضًا. على سبيل المثال، في أكتوبر 2023، أعلنت تويوتا و Idemitsu Kosan عن شراكة ل تطوير بطاريات الحالة الصلبة لمركبات كهربائية.

الرؤية التي دعت إلى هذه التعاون كانت طموحة، ليقولوا:

“من خلال هذه الشراكة، تسعى الشركتان، اللتان تتصدران العالم في مجالات تطوير المواد المتعلقة ببطاريات الحالة الصلبة، إلى ضمان نجاح التصنيع التجاري لبطاريات الحالة الصلبة في 2027-28—كما أعلن في ورشة عمل تكنولوجيا تويوتا في يونيو 2023—تليها إنتاج على نطاق واسع.

شركة أخرى قررت أن تأخذ خطوة كبيرة في هذا المجال هي هوندا. الشركة كانت نشطة في هذا المجال منذ فترة طويلة. في يناير 2024، قال مسؤولو هوندا إنهم يستهدفون تقليلًا بنسبة 50% في الوزن—أو، بعبارة أخرى، زيادة بنسبة 50% في كثافة الطاقة بالنسبة للوزن.

أوضح الرئيس التنفيذي لهوندا Toshihiro Mibe أن إذا أرادت هوندا إنشاء سيارة بتكلفة 30,000 دولار، يمكنها النظر في بطاريات الحالة الصلبة لأن تكاليف البطارية ستنخفض، و سترتفع المدى، و يمكن تبسيط نظام التبريد.

然而، الجهود العالمية لجعل بطاريات الحالة الصلبة أكثر متانة و آمنة ما زالت تواجه بعض التحديات. الهدف هو تحسين خصائصها الأساسية، بما في ذلك السلامة و الاستقرار و الأداء الطاقي و كفاءة التخزين الكهروكيميائي. العوائق، من ناحية أخرى، تشمل صلاحية الأداء على المدى الطويل و الجدوى الاقتصادية و تسليم معايير القدرة المحددة بدقة.

إذا غامرنا أكثر، سنرى أن التحديات تشمل أيضًا أداء الدورة غير كافٍ في بطاريات الحالة الصلبة الحالية (SSBs) بسبب تدهور المواد في الأنود و الكاثود و الكهرباء. مجلس البحث التكنولوجي للسيارات في الولايات المتحدة قد حدد هدفًا لمعايير عمر البطارية يصل إلى 10 سنوات مع 1000 دورة عند عمق تفريغ 80%.

ما يمنع بطاريات الحالة الصلبة من تحقيق هذا الهدف غالبًا هو تكوين طبقات الشحن، مما يؤدي إلى كينيتيكا واجهية بطيئة و مقاومة عالية، و نمو الدندريات، مما يسبب قصائر و مخاطر أمان.

然而، هناك حلول لهذه التحديات. يجب على المصنعين التركيز على إنتاج بطاريات الحالة الصلبة ذات كثافة طاقة عالية و تحسينها. بعد كل شيء، هذه المنتجات تتمتع bằng استقرار حراري عالي، مما يزيل مخاوف السلامة حتى عند درجات حرارة تتجاوز 200 °م، بينما قد تشكل الكهرباء السائلة خطرًا عند درجة حرارة أعلى قليلاً من 70 °م. الكهرباء الصلبة توفر تشغيل خالي من التسريبات و تمنح استقرارًا كهروكيميائيًا أعلى من نظيراتها السائلة.

الكهرباء الصلبة أكثر رغبة لأنها يمكن أن تقلل من تدهور السعة و الدوائر الداخلية. موصلية الأيونات العالية و موصلية الإلكترونات المنخفضة تضمن شحن المركبات بشكل أسرع.

وفقًا ل تقديرات QuantumScape، يمكن لمركبة تحصل على 350 ميلًا من المدى على شحنة واحدة باستخدام واحدة من خلايا الليثيوم الأيونية التقليدية الرائدة مع كثافة طاقة تبلغ حوالي 700 واط/لتر أن تحصل على 400 إلى 500 ميل من المدى باستخدام خلايا الحالة الصلبة من QuantumScape.

بشكل عام، بطاريات الحالة الصلبة ضرورية لحركة المستقبل. يجب أن تكون فعالة و آمنة و فعالة من حيث التكلفة و طويلة الأمد.

انقر هنا لتعلم لماذا من الجيد شراء مركبة كهربائية الآن على الرغم من بطاريات الحالة الصلبة على الأفق.