الطاقة
يستمر العمل على البطاريات الصلبة مع تركيز الباحثين على الأساسيات
البطاريات الصلبة، التي تُستخدم في الهواتف الذكية، الأدوات الكهربائية، والسيارات الكهربائية، تختلف عن بطاريات الليثيوم أيون في استخدامها للكهارل. بينما تستخدم بطارية الليثيوم أيون كهارل سائلة، تستخدم البطارية الصلبة كهارل صلبة.
في حالة بطاريات الليثيوم أيون، يوجد فاصل للحفاظ على فصل القطب الموجب عن القطب السالب. في البطاريات الصلبة، يلعب الكهارل الصلب دور الفاصل أيضاً.
على الرغم من أن هذه مجرد ميزات تمييزية، طورت المجتمع العلمي والتقني البطاريات الصلبة لأنها توفر استقراراً محسناً بفضل هيكلها الصلب وزيادة في السلامة. يواصل الباحثون العمل عليها لأن هذه البطاريات تحافظ على شكلها حتى إذا تعرض الكهارل للتلف.
تأتي البطارية الصلبة بكثافة طاقة أعلى وتكاد لا تواجه خطر الانفجار أو الحريق. وبما أنها لا تحتاج إلى مكونات أمان إضافية، يتوفر مساحة أكبر لإدخال المواد النشطة، مما يزيد من سعة البطارية. كما أن كثافة الطاقة المحسنة تضمن انخفاض الحاجة إلى بطاريات، مما ينتج نظام بطارية مثالي للسيارات الكهربائية للوحدة والحزمة.
نظرًا لهذه الفوائد، يعتقد خبراء السوق أن البطاريات الصلبة ستصبح عامل تغيير رئيسي في تمكين السيارات الكهربائية من المنافسة مع السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي، وفي النهاية التقدم في السباق. لكن ذلك لا يمنع الباحثين من استكشاف كيفية جعل البطاريات الصلبة أكثر فائدة. في أحد هذه الأبحاث، افترض العلماء وجود بطارية صلبة من معدن الليثيوم فائقة النحافة ذات كثافة طاقة عالية مدعومة بكهارل صلب من نوع الجرانيت المقاوم لـ Li2CO3.
على الرغم من أن كل هذا قد يبدو تقنياً للغاية، في الفقرة القادمة سنغوص أعمق لفهم ما يهدف إليه البحث!
تمكين منصة بطارية صلبة من معدن الليثيوم فائقة النحافة مع استقرار عالي وكثافة طاقة مرتفعة
طور الأستاذ بيونغوو كانغ والدكتور أبين كيم من قسم علوم وهندسة المواد في جامعة بوستك (POSTECH) كهارل صلب يمكّن منصة بطارية صلبة من معدن الليثيوم فائقة النحافة مع استقرار عالي وكثافة طاقة مرتفعة.
تحقق الاختراق من خلال حل أحد أكثر أسباب القلق شيوعًا التي تواجه البطاريات الصلبة. ما هي تلك المشكلة، وكيف يمكن حلها؟ دعونا نلقي نظرة متعمقة أدناه!
مشكلة LLZO
الكهارل الصلب من نوع الجرانيت المستخدم في البطاريات الصلبة، والمعروف أيضًا باسم Li7La3Zr2O12 أو LLZO، يتمتع بموصلية أيونية عالية. وفي الوقت نفسه، فهو شديد التفاعل ويشكل طبقة ملوثة (Li2CO3) على سطحه عند تعرضه للهواء. هذه الطبقة تجلب عدة عيوب أو عوائق، بما في ذلك تكوين حاجز مقاوم في بناء الخلية، وانخفاض خصائص الاتصال والواجهة بين الكهارل والمواد المتفاعلة، وغيرها.
قامت الابتكار بمعالجة هذا العائق وعكسه من خلال التركيز على الأساسيات الجوهرية بدلاً من البحث عن حل خارجي. طور الباحثون تقنية LLZO القابلة للتعامل مع الهواء (AH-LLZO) التي يمكنها تحسين خصائص السطح والداخل للـ LLZO في آنٍ واحد ومنع تكوين طبقات ملوثة.
حققوا هدفهم من خلال تطوير مركب جديد كاره للماء (Li-Al-O) على كل من السطح وداخل المادة. هذا المركب يمنع انتشار التلوث داخليًا عن طريق جعل الطبقة تتفاعل فقط مع رطوبة الهواء.
أدت الطبقة كحل بخصائص اتصال وتبلل محسنة إلى تطوير بطاريات صلبة من الليثيوم فائقة النحافة، بسمك يقارب عُشر سمك شعر الإنسان.
انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشرة أسهم بطاريات للاستثمار فيها.
لماذا يُعتبر البحث اختراقًا؟
أدت النتائج إلى سيناريو يمكن فيه إعداد طبقات فائقة النحافة من معدن الليثيوم، مما ينتج عنه نسبة سعة ضئيلة بين القطب الموجب والقطب السالب، حوالي 0.176 في البطاريات الصلبة.
كما يسمح التجربة بتقليل كبير في كمية معدن الليثيوم المستخدمة، مما يقلل من وزن البطارية الكلي وحجمها ويحسن كثافة الطاقة بشكل ملحوظ.
إذا تم تنفيذها، ستمكن الأبحاث ونتائجها من التخزين في الهواء دون الحاجة إلى معالجة أو مرافق خاصة. بالإضافة إلى تبسيط العملية بأكملها، يؤدي الابتكار إلى إنتاج كهارل صلبة من نوع الجرانيت ذات قابلية استخدام عملية أكثر.
قال الأستاذ بيونغوو كانغ:
“سنستمر في العمل على بطاريات صلبة من معدن الليثيوم فائقة النحافة يمكنها تحقيق أمان عالي وكثافة طاقة مرتفعة.”
تظهر الأبحاث أن التركيز على الأساسيات يمكن أن يساعدنا في تحويل عيوب المنتج إلى نقاط قوته. تستثمر الشركات والكيانات التجارية في الأبحاث والموارد لجعل البطاريات الصلبة أكثر ملاءمة وفائدة للسيارات المستقبلية. في الفقرات التالية، سنستعرض تلك الشركات وابتكاراتها.
#1. Solid Power
إحدى الشركات التي تقوم بعمل استثنائي في هذا المجال هي Solid Power. بطارياتها الصلبة بالكامل تقدم طاقة عالية، سلامة محسنة، عمرًا أطول، وفوائد تكلفة ملحوظة.
تتيح استخدام أقطاب ذات سعة أعلى مثل السيليكون عالي المحتوى ومعدن الليثيوم مع تعزيز معايير السلامة عبر إزالة المكونات السائلة والجلية المتفاعلة والمتقلبة.
تظهر النتيجة في بطاريات يمكنها الصمود والعمل بكفاءة في درجات حرارة مرتفعة للغاية. تدعي الشركة أن منتجاتها تتمتع بميزة تكلفة تتراوح بين 15-35٪ مقارنةً بحزم الليثيوم أيون.
تشمل مجموعة بطاريات Solid Power الصلبة بالكامل ثلاثة منتجات رئيسية: خلايا سيليكون للسيارات الكهربائية، خلايا معدن الليثيوم، وخلايا تفاعل التحويل.
Silicon EV Cell
تحتوي على قطب سالب سيليكون عالي المحتوى، مما ينتج عنه معدلات شحن عالية وقدرات حرارية منخفضة. تستخدم بطاريات Solid Power كهارل صلبة قائمة على الكبريتيد مملوكة لها لتشغيل الحل. وتستخدم أقطاب NMC القياسية في الصناعة والناضجة تجاريًا.
Lithium Metal
يحصل المنتج على اسمه من أقطاب الليثيوم المعدنية عالية الطاقة. يتمتع بسعة أعلى تدريجيًا مقارنةً بخلية سيليكون للسيارات الكهربائية، التي تبلغ مواصفاتها 390 واط·ساعة/كغ، بينما خلية معدن الليثيوم تصل إلى 440 واط·ساعة/كغ.
Conversion Reaction Cell
من بين جميع منتجات مجموعة Solid Power، تتميز هذه الخلية بأعلى سعة أداء تبلغ 560 واط·ساعة/كغ. تكمن ميزتها الفريدة في القطب التحويلي منخفض التكلفة وعالي الطاقة النوعية.
تقع Solid Power في ولاية كولورادو، الولايات المتحدة، وتؤمن بقوة بقدرة بطارياتها التحويلية. وتعتقد أن خلاياها الصلبة بالكامل ستلبي متطلبات الحجم والتكلفة لدى صانعي المعدات الأصلية (OEMs).
(SLDP )
في أحدث عرض استثماري متاح لها، تدعي الشركة (Nasdaq: SLDP) أنها الوحيدة المتداولة علنًا والمتخصصة بالكامل في تطوير بطاريات صلبة حقيقية، والتي جمعت حتى الآن 700 مليون دولار أمريكي. تزدهر الشركة بفضل تاريخها في الاستثمار في البحث والتطوير الذي يمتد لأكثر من عقد من الزمن، مما أسفر عن ما يقرب من 50 عائلة براءات اختراع عالمية وثلاثة شركاء تطوير رائدين في الصناعة (BMW، Ford، SK On).
#2. QuantumScape
تُعلن QuantumScape، اللاعب الرئيسي الآخر في هذا المجال، أنها في مهمة ‘تحويل تخزين الطاقة باستخدام تقنية بطاريات صلبة من معدن الليثيوم.’ كما تدعي أنها تمكّن من ‘كثافة طاقة أعلى، شحن أسرع، وسلامة محسنة’ – وهي الثلاثة صفات أساسية التي يركز عليها بحث POSTECH أيضًا.
إحدى أبرز ميزات QuantumScape هي أنها طورت أول تصميم خلية بدون قطب سالب في الصناعة، مما ينتج عنه كثافة طاقة عالية مع خفض تكاليف المواد وتبسيط عملية التصنيع.
تستخدم منصة تقنية QuantumScape مجموعة متنوعة من كيميائيات الأقطاب الموجبة لتحسين كثافة الطاقة بشكل كبير في خلايا بطاريات اليوم القائمة على النيكل-منغنيز-كوبالت (NMC) وفوسفات الحديد الليثيوم (LFP). تضمن جهودهم تحسينًا لتطبيقات تخزين الطاقة المتنوعة وتُبقي المجال مستعدًا للاستفادة من التطورات المستقبلية في كيمياء الأقطاب الموجبة.
ميزة أخرى فريدة للشركة هي مادة الفاصل الخاصة بها، المصنوعة من السيراميك الذي يوفر توصيلية عالية، استقرارًا مع معدن الليثيوم، مقاومة لتكوين التشعبات، ومقاومة منخفضة للواجهة. ميزة إضافية لاستخدام السيراميك هي أنه يوفر سلامة محسنة لأنه غير قابل للاشتعال، وبالتالي أكثر أمانًا من الفواصل البوليمرية التقليدية التي تحتوي على هيدروكربونات وتكون أكثر عرضة للاشتعال.
تستهدف QuantumScape تحقيق كثافة طاقة تتراوح بين 800–1000 واط·ساعة/لتر مع خلاياها الصلبة من معدن الليثيوم.
(SLDP )
من الناحية المالية، تدعم QuantumScape (NYSE: QS) أكثر من 2 مليار دولار أمريكي من الاستثمارات الرأسمالية. لديها أكثر من 300 براءة اختراع وتطبيقات براءات اختراع في مجموعتها.
مستقبل البطاريات الصلبة
لم تعد البطاريات الصلبة تقنية مستقبلية، إذ أن المستقبل قد وصل بالفعل. العديد من الأبحاث المتقدمة من أفضل المعاهد تدفع قدمًا في مسارها كل يوم.
في يناير 2024، على سبيل المثال، قدم باحثون من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد (SEAS) بطارية صلبة مع معدن الليثيوم قادرة على تقديم 6000 دورة شحن/تفريغ — وهو ما يفوق بشكل كبير أي خلية بطارية جيب أخرى في السوق.
تشبه هذه الأبحاث تلك التي أشرنا إليها في بداية مقالتنا، حيث تعامل باحثو هارفارد أيضًا مع مشكلة التشعبات التي تتشكل على سطح القطب السالب.
إلى جانب الشركات المتخصصة التي ناقشناها، بما في ذلك Solid Power وQuantumScape، هناك شركات كبرى تشارك أيضًا في هذا المجال. على سبيل المثال، في أكتوبر 2023، أعلنت تويوتا وإيديميتسو كوسان عن شراكة لتطوير بطاريات صلبة للسيارات الكهربائية.
كانت الرؤية التي دفعت هذه الشراكة طموحة، على أقل تقدير. جاء في بيانهم الصحفي ما يلي:
من خلال هذه الشراكة، تسعى الشركتان، اللتان تقودان العالم في مجالات تشمل تطوير المواد المتعلقة بالبطاريات الصلبة بالكامل، إلى ضمان نجاح تسويق البطاريات الصلبة بالكامل في الفترة 2027-2028 — كما أعلن ذلك في ورشة عمل تويوتا التقنية في يونيو 2023 — تليها الإنتاج الضخم على نطاق واسع.
شركة أخرى قررت اتخاذ خطوة كبيرة في هذا المجال هي هوندا. كانت الشركة نشطة في هذا المجال منذ فترة طويلة. في يناير 2024، صرّح مسؤولو هوندا بأنها تستهدف خفض الوزن بنسبة 50٪ — أو بعبارة أخرى، زيادة كثافة الطاقة بالوزن بنسبة 50٪.
شرح الرئيس التنفيذي لهوندا توشيهيرو ميب أن إذا أرادت هوندا إنشاء سيارة بتكلفة 30,000 دولار، يمكنها النظر في البطاريات الصلبة لأن تكلفة البطارية ستنخفض، وستزيد المدى، ويمكن تبسيط نظام التبريد.
ومع ذلك، لا تزال الجهود العالمية لجعل البطاريات الصلبة أكثر صلابة وأمانًا تواجه بعض التحديات. الهدف هو تحسين خصائصها الأساسية، بما في ذلك السلامة، الاستقرار، أداء الطاقة، وكفاءة التخزين الكهروكيميائي. من ناحية أخرى، تشمل العوائق قابلية الأداء على المدى الطويل، الجدوى الاقتصادية، وتوفير معايير الطاقة المحددة بدقة.
إذا تعمقنا أكثر، سنرى أن التحديات تشمل أيضًا ضعف أداء الدورات في البطاريات الصلبة الحالية (SSBs) بسبب تدهور المواد في الأقطاب الموجبة والسالبة والكهارل. حدد مجلس الولايات المتحدة للبحوث السيارات هدفًا لعمر البطارية يبلغ 10 سنوات مع 1000 دورة عند عمق تفريغ 80٪.
ما يمنع البطاريات الصلبة من تحقيق هذا الهدف غالبًا هو تكوين طبقات شحنات فضائية، مما يؤدي إلى بطء حركيات الواجهة ومقاومة عالية، ونمو التشعبات التي تسبب دوائر قصر ومخاطر سلامة.
مع ذلك، هناك حلول لهذه التحديات. سيتعين على المصنعين التركيز على إنتاج بطاريات صلبة ذات كثافة طاقة عالية وتحسيناتها. فهذه المنتجات تتمتع باستقرار حراري عالي، مما يلغي مخاوف السلامة حتى عند درجات حرارة تتجاوز 200 درجة مئوية، بينما قد تشكل الكهارل السائلة تهديدًا عند درجات حرارة تزيد قليلاً عن 70 درجة مئوية. يمكن للكهارل الصلبة توفير تشغيل خالٍ من التسرب ومنح استقرار كهروكيميائي أكبر مقارنةً بنظيراتها السائلة.
تُعد الكهارل الصلبة أيضًا أكثر رغبة لأنها يمكن أن تقلل من تلاشي السعة والدوائر القصيرة الداخلية. كما أن موصليتها الأيونية العالية وموصلية الإلكترون المنخفضة تضمن شحن المركبات بشكل أسرع.
وفقًا لتقديرات QuantumScape، يمكن للمركبة التي تحصل على حوالي 350 ميلًا من المدى بشحنة واحدة باستخدام إحدى خلايا الليثيوم أيون التقليدية الرائدة اليوم ذات كثافة طاقة تقارب 700 واط·ساعة/لتر أن تحقق ما بين 400 و500 ميل من المدى باستخدام خلايا QuantumScape الصلبة.
بشكل عام، تُعد البطاريات الصلبة ضرورية للتنقل المستقبلي. يجب أن تكون فعّالة، آمنة، ذات تكلفة معقولة، وطويلة الأمد.
انقر هنا لتعرف لماذا يستحق شراء سيارة كهربائية الآن رغم وجود بطاريات صلبة في الأفق.
