بطاريات الحالة الصلبة الجيل التالي من البطاريات
محتوى المقال
في السنوات الأخيرة، حاولت شركات السيارات العملاقة مثل تويوتا وفورد وفولكس فاجن التغلب على أوجه القصور في البطاريات التي تشغل السيارات الكهربائية من خلال السباق لإنتاج بطارية من الجيل التالي. تتفق العديد من الشركات على أن بطاريات الحالة الصلبة (Solid-State Battery) هي المستقبل، وهذه البطاريات لا تحتوي على الكهارل (Electrolytes) السائلة ويمكن شحنها بشكل أسرع، وتدوم لفترة أطول وتكون أقل عرضة للاشتعال من بطاريات أيون الليثيوم المستخدمة حاليًا، وفقًا لخبراء البطاريات. ضخت شركات صناعة السيارات الملايين في سبيل إتقان التكنولوجيا بحلول النصف الأخير من العقد.
تأتي هذه المنافسة في وقت حرج، حيث إن أسعار الغاز قد ارتفعت بشكل كبير، كما أدى تغير المناخ إلى تسريع الجهود للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، مما أدى إلى زيادة الطلب على السيارات الكهربائية. وقد أدى ذلك إلى نقص في العديد من المعادن المستخدمة في بطاريات السيارات الكهربائية الحالية، وسط مخاوف أخلاقية حيث إن هذه المعادن يتم تعدينها غالبًا بواسطة البالغين والأطفال الذين يعملون في ظروف قاسية مع عدم توفير شروط الحماية والسلامة والأمان لبيئة عملهم. لكن الخبراء وشركات صناعة السيارات يقولون إن طرح البطاريات الجديدة في السوق يمثل مهمة صعبة للغاية.
ما هو الكهرل (Electrolyte)؟
يمكن تعريف الكهرل أو الألكتروليت على أنه أي مادة تقوم بتوصيل التيار الكهربائي نتيجة للتحلل إلى جسيمات موجبة الشحنة الكهربائية وجسيمات سالبة الشحنة الكهربائية وتسمى هذه الجسميات بالأيونات، والتي تتجه نحو الأقطاب السالبة والموجبة، ويتم تفريغ شحناتها عادة عند هذه الأطراف السالبة والموجبة على التوالي.
إن من أكثر الكهارل شيوعاً هي الحوامض والقواعد والأملاح، والتي تتحلل (تتأين) عندما يتم إذابتها في المذيبات مثل الماء أو الكحول. كما أن هناك العديد من الأملاح التي تتصرف ككهارل عند صهرها في غياب أي مذيب، مثل كلوريد الصوديوم، كما أن البعض الآخر، مثل يوديد الفضة، يعتبر كهرل حتى في الحالة الصلبة.
ما هي بطاريات الحالة الصلبة؟ وما الفرق بينها وبين بطاريات أيون الليثيوم؟
تتكون بطارية أيون الليثيوم من كاثود (قطب سالب) وآنود (قطب موجب)، وتستعمل هذه البطاريات في الوقت الحالي في أجهزة الهواتف الذكية، والأدوات الكهربائية والسيارات الكهربائية، وتستعمل محلول كهرل (Electrolyte) سائل. بينما وفي حالة بطارية الحالة الصلبة فإن الكهرل يكون صلباً وليس سائلاً.
عند النظر في الصورة نجد أن بطارية أيون الليثيوم – Lithium-ion battery المستخدمة تجارياً في وقتنا الحالي، تحتوي على فاصل يبقي الكاثود (القطب السالب) والآنود (القطب الموجب) منفصلين بمحلول كهرل سائل. من ناحية أخرى، فإن بطارية الحالة الصلبة تستخدم كهرل صلب وليس كهرل سائل، وإن الكهرل الصلب في حالة بطارية الحالة الصلبة يلعب دور الفاصل أيضاً.
إن أكثر محور إثارة للقلق في حالة بطارية أيون الليثيوم هو محور السلامة، حيث إن هناك خطر تعرض البطارية إلى تلف، مثل أن تنتفخ البطارية بسبب تغير درجة حرارتها أو النضوح في السائل الذي يتكون منه الكهرل (الفاصل) نتيجة تسليط قوة خارجية عليها. لذلك فإن الحاجة ماسة للحصول على أجهزة أو مكونات يمكن لها أن تحسن من سلامة الجهاز.
لذلك فإن بطارية الحالة الصلبة والتي تحتوي على كهارل صلبة يمكن لها أن تحسن من شروط السلامة والأمان، حيث إن هذا الكهرل الصلب يظهر قابلية ثباتية محسنة مع الهيكل الصلب للبطارية، إضافة إلى كونها تحافظ على شكل البطارية وتمنع انتفاخ البطارية في حالة تلف الكهرل الخاص بالبطارية.
مشاكل بطارية أيون الليثيوم
كانت بطاريات أيون الليثيوم – Lithium-ion battery هي البطاريات المهيمنة على السوق والبطاريات الأكثر استعمالاً لفترة الثلاثين سنة الماضية، حيث يمكن لهذه البطاريات أن تشحن بسرعة كبيرة، كما يمكنها أن تحمل كمية كبيرة من الطاقة في وحدة خزن صغيرة، وهذه الميزات هي التي جعلت من بطاريات أيون الليثيوم واسعة الانتشار، حيث تستخدم في الهواتف النقالة، وأجهزة التابلت، إضافة إلى أجهزة تنظيم ضربات القلب، ومعدات غرفة العمليات في المستشفيات والمجال الطبي، والعديد من المنتجات الضرورية الأخرى.
ولكن الخبراء يقولون بأن استعمال هذه البطاريات في السيارات له عيوبه، حيث أن بطاريات أيون الليثيوم لا يمكن شحنها كثيراً، ما يجبر سائقي السيارات على قيادة السيارة بشحنة واحدة فقط، كذلك فإن العلماء يقولون بأن قابلية البطارية على خزن الطاقة محدودة. إضافة إلى ذلك يمكن أن تشكل هذه البطاريات خطر الحريق بسبب امتلائها بالكهارل السائلة القابلة للاشتعال بسرعة، وهذا الأمر الذي أدى إلى قيام شركة جنرال موتورز إلى استرجاع سيارتها الكهربائية Chevy Bolt في الصيف الماضي.
كذلك فإن هذه البطاريات تعتمد بشكل كبير أيضاً على النيكل والكوبلت، وهذان المعدنان يواجهان نقصاً في الإمداد وارتفاعاً بالأسعار. أمر آخر فإن معدن الكوبلت أثار أزمة حقوق إنسان في جمهورية الكونغو الديمقراطية، بسبب عملية تعدينه التي تتم بواسطة أناس بالغين وأطفال في ظروف مؤذية، كما أنهم غالباً ما يستنشقون مواد كيميائية سامة ويصابون بأمراض رئوية قاتلة.
أسباب الحاجة لتطوير بطارية الحالة الصلبة
في هذه الحالة، لماذا نحتاج لتطوير بطاريات الحالة الصلبة؟ والجواب هو الحاجة لزيادة قدرة بطاريات السيارات الكهربائية.
يتوقع الباحثون في سوق السيارات أن تستبدل السيارات الكهربائية سيارات محركات الاحتراق الداخلي وتصبح هي السائدة في سوق صناعة السيارات، ولأجل أن تصبح شركة ما رائدة في هذا المجال، يجب أن تمتلك سياراتها مدى قيادة يكافئ مدى قيادة سيارات محركات الاحتراق الداخلي، ومن أجل الحصول على ذلك فإنه من المهم أن يتم زيادة قدرة بطاريات السيارات الكهربائية.
وهناك طريقتان يمكن من خلالها زيادة قدرة البطاريات، إحداها زيادة عدد البطاريات في السيارة ولكن في هذه الحالة فإن سعر البطارية سيكون مرتفعاً وبالتالي سيؤدي إلى رفع سعر السيارة. إضافة إلى ذلك فإن زيادة عدد البطاريات سيؤدي إلى أن البطاريات ستشغل حجماً أكبر من السيارة.
أما الطريقة الثانية فهي استعمال بطارية الحالة الصلبة – Solid-State Battery والتي تمتلك كثافة طاقة أعلى من بطارية أيون الليثيوم التي تستعمل كهرلاً سائلاً، حيث إن هذه البطاريات لا يوجد فيها خطر حدوث انفجار أو حرائق، لذلك فإن الحاجة تنتفي لمكونات السلامة، مما يوفر مساحة إضافية، وهذه المساحة الإضافية ستكون عملية لوضع المزيد من المواد الفعالة التي تسهم في زيادة قدرة البطارية.
يمكن في حالة استعمال بطارية الحالة الصلبة الحصول على كثافة طاقة أعلى لكل وحدة مساحة، حيث لا توجد الحاجة إلا لعدد قليل من البطاريات (نسبياً)، لهذا السبب تعتبر بطارية الحالة الصلبة مثالية لصنع نظام بطارية للسيارة الكهربائية بسعة عالية.
شركات صناعة السيارات وبطارية الحالة الصلبة
يعمل كبار مصنعي السيارات على الاستثمار في هذه التقنية، وذلك لعلمهم بالسلبيات والتكلفة الموجودة في تقنية صناعة البطاريات الحالية، لذلك يقوم الكثير منهم بعمل شراكات مع شركات تعمل على تطوير وتصنيع تقنيات بطارية الحالة الصلبة أو أن تقوم هذه الشركات بعمل أبحاث داخلية من أجل العمل على تطوير هذه التقنية.
قامت شركة Volkswagen باستثمار مبلغ 300 مليون دولار في شركة QuantumScape وهي شركة مختصة في مجال بطاريات الحالة الصلبة والتي قامت بإنشاء خط إنتاج تجريبي للبطارية. كما أن هذه الشركة مدعومة كذلك من قبل مؤسس شركة Microsoft Bill Gates. كذلك، قامت كل من شركة BMW وشركة Ford باستثمار مبلغ 130 مليون دولار في شركة ناشئة مقرها في ولاية كولورادو الأميركية مختصة ببطاريات الحالة الصلبة اسمها Solid Power، حيث بدأت هذه الشركة الإنتاج التجريبي للبطارية. كما أن شركة تويوتا أعلنت في شهر كانون الثاني أنها ستقوم بوضع بطاريات الحالة الصلبة في سياراتها الهجينة في سنة 2025.
تدعي شركة QuantumScape أن المستهلك سيكون قادراً على شراء سيارة Volkswagen أو سيارة Audi بحلول سنة 2024، حيث ستتمكن هذه السيارات من قطع مسافة 640 كيلومتراً بشحنة واحدة وبعدها يمكن شحنها بشكل كامل خلال 15 دقيقة، هذه الإمكانات ستعطي السيارات الكهربائية التي تعمل ببطاريات الحالة الصلبة ميزة كبيرة على منافساتها من السيارات التي تعمل ببطارية أيون الليثيوم المستعملة بشكل واسع النطاق في الوقت الحالي، ولكن إمكانياتها أقل قياساً لبطارية الحالة الصلبة. تعد بطارية الحالة الصلبة بالكامل (ASSBs) بعمر بطارية طويل، ووقت شحن أسرع، ومكونات كيميائية أقل مقارنة بنظيرتها من بطاريات أيون الليثيوم، ولكن إنتاج هذه البطاريات على نطاق واسع ليتم تشغيل ملايين المركبات لن يكون سهلاً، على الرغم من مليارات الدولارات التي تم استثمارها بالفعل في هذه التقنية.
