بطاريات الحالة الصلبة: داخل السباق لتحويل علم السيارات الكهربائية | سيارة كهربائية
إن العمل في الغرفة الجافة في مركز أبحاث البطارية والابتكار بجامعة ديكين ليس يومًا على الشاطئ.
“[It’s] ويقول مديرها العام الدكتور تيموثي خو: “إنها صحراء أكثر من كونها شاطئًا”. “على الشاطئ، على الأقل لا يزال بإمكانك الحصول على الرطوبة.”
150 م2 الغرفة الجافة، على حد علم كو، هي الأكبر في أستراليا لأغراض البحث وهي ضرورية للعمل على النماذج الأولية واختبار الجيل القادم من البطاريات.
يقول خو: “من الصعب جدًا العمل هناك لفترات طويلة”. “الأمر ليس خطيرًا ولكن عينيك بدأت تجف، وبدأت بشرتك تجف، وتشعر وكأنك كنت في الخارج تحت أشعة الشمس طوال الصيف.”
يجب أن تكون الغرفة جافة لأن الماء والرطوبة هي مواد قاتلة للبطارية أثناء الإنتاج. يقول خو إن التلوث يعني أنه قد لا يعمل أو أن أدائه سيتأثر.
اعتمادًا على المواد، قد يكون السيناريو الأسوأ خطيرًا أيضًا.
يقول خو: “يتفاعل الليثيوم بشكل سيئ مع الماء”. “لا أعرف إذا كنت قد درست العلوم في المدرسة الثانوية من قبل، ولكنها تنتمي إلى نفس الفئة الكيميائية مثل الصوديوم والبوتاسيوم – إذا قمت بإلقاء الصوديوم في الماء، فسوف ينفجر. إنه رد فعل مماثل في سياق معدن الليثيوم.
ويشهد المركز نشاطًا نشطًا، حيث تتسابق الشركات لتطوير الجيل القادم من تكنولوجيا البطاريات.
سيكون معظمهم على دراية ببطارية الليثيوم أيون، التي قامت شركة سوني بتسويقها لأول مرة في التسعينيات لتشغيل مشغلات الموسيقى المحمولة الخاصة بها. ومن هذه البدايات المتواضعة، أصبحت بطارية الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن هي الملك الآن، حيث تعمل على تشغيل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، وفي تطبيقاتها الأكثر أداءً، السيارات الكهربائية.
ويشير أحد تحليلات ماكينزي إلى أن سوق بطاريات الليثيوم أيون العالمية سوف تنمو لتصبح صناعة تبلغ قيمتها 400 مليار دولار بحلول عام 2030. ولكن مع الفهم الجيد لتكنولوجيا الليثيوم أيون، فإن أولئك الذين يسعون إلى التغيير التحويلي يتطلعون بشكل متزايد إلى بطاريات الحالة الصلبة.
الضجيج والأمل
يقول الدكتور روري ماكنولتي، أحد كبار المحللين في شركة Benchmark Minerals Intelligence، إن الضجيج حول بطاريات الحالة الصلبة يتزايد منذ طرح أول بطارية تجارية صلبة من قبل شركة Blue Solutions الفرنسية في عام 2015.
وقد تم تصميم بطاريتهما للاستخدام في الحافلات الإلكترونية ولكن كانت لها قيود على التصميم ومدة شحن تصل إلى أربع ساعات أو أكثر – وهو مثال على مدى صعوبة عملية التطوير، حتى بالنسبة لشركة مثل تويوتا.
وفي يوليو/تموز الماضي، أعلنت شركة السيارات العالمية العملاقة عن إنجاز كبير في تطوير بطاريات الحالة الصلبة التي زعمت أنها ستخفض حجم ووزن وتكلفة تصنيعها إلى النصف.
وقد قوبل هذا بالإثارة والتشكيك، وهو ما يرجع جزئياً إلى قيام شركة تويوتا بضخ الأموال في تطوير بطاريات الحالة الصلبة منذ عام 2006 وإحجامها عن الالتزام بإنتاج سيارات كهربائية بالكامل على مدى العقد الماضي.
وسرعان ما أعقب هذا التطور تطور آخر في أكتوبر: قالت تويوتا وشركة البترول اليابانية Idemitsu إنهما يهدفان إلى تطوير وتصنيع المنحل بالكهرباء الصلب وطرحه في السوق بحلول عام 2028.
تويوتا ليست الشركة الوحيدة التي تعمل في المنطقة. وفي شهر يناير، أعلنت شركة فولكس فاجن عن نجاح الاختبار على بطارية الحالة الصلبة التي طورتها شركة QuantumScape والتي حققت أكثر من 1000 دورة شحن وحافظت على 95% من سعتها.
وفي الوقت نفسه، عقدت شركات صينية مثل WeLion وNio EV شراكة للإسراع في إنتاج بطارية الحالة الصلبة – وإن كانت ذات كيمياء أقل طموحًا – بحلول عام 2024، لكن ماكنولتي يقول إن تلك الموجودة في الدول الغربية سيتعين عليها الانتظار حتى نهاية العقد.
ويقول: “لقد قامت تويوتا بتأخير الجدول الزمني لتسليم الحالة الصلبة عدة مرات على مر السنين، وهو ما أعتقد أنه دليل على مدى صعوبة بعض التحديات التقنية التي يقوم عليها تطوير تكنولوجيا جديدة”.
ميكانيكا البطارية
الوعد الأساسي لبطاريات الحالة الصلبة هو المزيد من الطاقة المولدة بواسطة بطارية أصغر. وقد اتخذت الجهود المبذولة لتطوير التكنولوجيا عدة طرق، لكن خو يقول إن الكثير من الاهتمام العام يتركز على مادتين: السيليكون ومعدن الليثيوم.
ويقول: “إن الأنودات القائمة على السيليكون، أكثر تقدمًا قليلًا من حيث جاهزيتها التكنولوجية من بطاريات الليثيوم المعدنية”. “من وجهة نظر علمية أو هندسية بحتة، أعتقد أن بطاريات الليثيوم المعدنية هي أكثر ثورية قليلا.
“هذا إذا كان الناس قادرين على حملهم على العمل”.
بشكل عام، هناك ثلاثة مكونات تصنع البطارية: الكاثود والأنود والكهارل. يطلق الأنود، المعروف باسم الجانب “السلبي” للبطارية، الإلكترونات في الدائرة؛ أما الجانب الموجب، الكاثود، فيستقبل الإلكترونات الواردة. يسمح الإلكتروليت للأيونات بالانتقال فيما بينها.
إن التفاعل بين هذه المكونات يمنح البطارية “كثافة الطاقة” – وهي كمية الطاقة التي يمكنها الاحتفاظ بها، مقارنة بوزنها. البطاريات ذات الكثافة العالية تحمل شحنة أكبر، مما يجعلها مناسبة لأشياء مثل السيارات الكهربائية.
وعلى عكس بطاريات الليثيوم أيون الحالية، التي تستخدم أنود الجرافيت والسيليكون مع إلكتروليت سائل، فإن بطاريات الحالة الصلبة – كما يوحي الاسم – تستبدل السائل بمادة صلبة.
وهذا يخلق بطارية أكثر أمانًا حيث لا يوجد خطر من تسرب السائل في حالة ثقب الغلاف، كما هو الحال في حادث سيارة، كما تقل فرصة نشوب حرائق الليثيوم. والأهم من ذلك بالنسبة لسائقي السيارات الكهربائية، أنها تعد بنطاق محسّن بشكل كبير.
بعد الترويج للنشرة الإخبارية
ولكن على الرغم من كل هذه الضجة، فإن تطوير بطاريات الحالة الصلبة يعوقه الأنود.
التشعبات والتنمية
من بين العديد من الاختلافات الموجودة، حظيت بطاريات الحالة الصلبة ذات الأنود المصنوعة من معدن الليثيوم باهتمام كبير باعتبارها تقنية بطاريات مستقبلية عالية الأداء محتملة.
الصيد؟ وقد واجه تطويرها مشكلة تعرف باسم “التشعبات”.
تتشكل التشعبات عندما “تلتصق” أيونات الليثيوم على الأنود المعدني النقي، تاركة نتوءات صغيرة على السطح.
يقول لي فينيير، الرئيس التنفيذي لشركة Li-S Energy والمدير المؤسس لمجلس المواد المتقدمة والبطاريات، إنه مع تزايد هذه العيوب بمرور الوقت، فإنها تتصرف “مثل النقطة العالية في مبنى في مدينة كبرى أثناء ضربة صاعقة”. “.
ويقول: “تحاول أيونات الليثيوم العثور على أقصر طريق إلى القطب الموجب”. “إذا حصلت على أي اختلاف أو أي نوع من النقاط العالية على الأنود، فسوف يميل إلى جذب المزيد من الأيونات، والتي سوف تتحول بعد ذلك إلى الليثيوم، مما يزيد من النقطة العالية.”
اعتمادًا على حجم نمو هذه التشعبات، فإنها يمكن أن تخترق المادة التي تفصل الأنود عن الكاثود وتتسبب في حدوث ماس كهربائي.
يقول: “وهذا يقتل البطارية”.
هناك تحديات أخرى أيضًا، لكن حل هذه المشكلة قد يكون صعبًا – ومكلفًا – ولهذا السبب فضل آخرون العمل باستخدام أنودات السيليكون، التي تعتمد على مادة مشابهة لتلك المستخدمة في الألواح الشمسية الكهروضوئية.
وبما أنه موصل للغاية، يُعتقد أنه كلما زاد عدد السيليكون المستخدم في الأنود، كلما تحسن أدائه.
تعمل أنودات السيليكون مثل الإسفنجة التي تمتص الماء، وتتوسع وتنكمش مع كل دورة شحن. تؤدي إضافة المزيد من السيليكون إلى زيادة مقدار توسع الأنود ويمكن أن يتوسع أنود السيليكون النقي بما يصل إلى أربعة أضعاف حجمه.
وبدون تدخل، سوف يسحق الأنود نفسه في النهاية.
يتضمن أحد الإصلاحات هيكلة السيليكون بطريقة خاصة، والآخر هو العثور على إضافات لتغيير سلوكه.
من الممكن حل هذه المشكلات، لكن إتاحة هذه البطاريات تجاريًا للاستخدام في المركبات الكهربائية يظل أمرًا صعبًا.
كتقنيات مستقبلية، سيتعين إعادة بناء خطوط التصنيع وحل مشكلات سلسلة التوريد، لا سيما أنه لا يوجد حاليًا أحد ينتج ما يكفي من رقائق معدن الليثيوم النقي لتزويد مصنعي بطاريات السيارات.
إن أي اختراق يعالج هذه المشكلات ويخفض تكلفة إنتاج بطاريات الحالة الصلبة سيكون ثوريًا، لكن تويوتا تحجم حتى الآن عن المواد التي تعمل بها في الأنودات الخاصة بها.
وعندما سئل متحدث باسم شركة تويوتا أستراليا، قال إنهم لا يستطيعون الكشف عن هذا لأن “الشركة الأم تقوم بالبحث والتطوير”.
مهما كانت الحالة، فإن شخصيات الصناعة تقول سرا إنه من الأفضل الافتراض ببساطة أن الشركة تسعى إلى “كل شيء”.
يقول فينيير: “ينسى الناس أننا نتحدث عن العلم هنا”. «إننا نتحدث عن إقناع الإلكترونات والأيونات والمواد الكيميائية بتنفيذ ما يُطلب منها؛ إنه ليس تطوير برمجيات، وليس شيئًا يمكنك برمجته في طريقك.
“إن هذه الإنجازات مهمة حقًا ولكنها تتطلب الكثير من العمل.”
اكتشاف المزيد من شبكة الريان
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
