صنع باحثون من جامعة هارفارد بطارية صلبة يتم شحنها خلال عشر دقائق وتستمر لمدة 30 عامًا، لكن التكنولوجيا التي حظيت بتغطية إعلامية كبيرة تظل حلاً طويل المدى لتحول الطاقة.
يتبنى الناس السيارات الكهربائية ببطء ولكن بثبات، ولكن لا تزال وتيرة هذا التحول بحاجة إلى تسريع حتى يتمكن العالم من تحقيق هدفه المتمثل في خفض صافي الانبعاثات إلى الصفر في عام 2050. وعلى الرغم من التحسينات الهائلة في السيارات الكهربائية، لا يزال العديد من السائقين مترددين في تركها. وراء راحة سياراتهم التي تعمل بالبنزين. إلى جانب التكلفة، تم الاستشهاد بالمخاوف بشأن نقص محطات الشحن وعمر البطارية باعتبارها العوائق الرئيسية أمام المستهلكين الأمريكيين الذين يشترون سيارة كهربائية في استطلاع أجرته شركة إيبسوس موري العام الماضي. بالنسبة لمصنعي السيارات، يعود جزء كبير من هذا إلى القيود المستمرة على المدى وطول عمر بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) الموجودة أسفل أغطية السيارات الكهربائية.
ومع ذلك، يعتقد فريق من العلماء في جامعة هارفارد أنهم اتخذوا خطوة مهمة نحو حل هذه المعضلات. قام باحثون في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية (SEAS) بتطوير تقنية جديدة "الحالة الصلبة" بطارية يمكن شحنها في الوقت الذي يستغرقه ملء خزان البنزين، وتتحمل دورات شحن أكثر من 3 إلى 6 مرات مقارنة ببطارية السيارة الكهربائية النموذجية.
لطالما اعتبرت بطاريات الحالة الصلبة بمثابة الكأس المقدسة للانتقال على نطاق واسع إلى وسائل النقل المكهربة، وقد تسارع السباق لتسويقها تجاريا في السنوات الأخيرة. وتقوم شركات مثل تويوتا وفولكس واجن بتطوير إصداراتها الخاصة، والتي تأمل في إدخالها إلى السيارات بحلول نهاية العقد. مع تعزيز هذا الابتكار الأخير من جامعة هارفارد، هل بطاريات الحالة الصلبة جاهزة أخيرًا للارتقاء إلى مستوى الضجيج؟
فوائد الصلبة على الشوارد السائلة
اليوم، بطاريات الليثيوم أيون هي المسيطرة؛ يتم استخدامها في كل شيء بدءًا من الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وحتى المركبات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة. نجح الباحثون والمصنعون في خفض أسعار بطاريات الليثيوم أيون بنسبة 90% خلال العقد الماضي، ويعتقدون أن بإمكانهم جعلها أرخص. ويعتقدون أيضًا أن بإمكانهم صنع بطارية ليثيوم أفضل.
تستخدم هذه البطاريات إلكتروليتًا سائلًا لتحريك الأيونات بين الكاثود والأنود عند التفريغ والشحن. إلا أن السائل قابل للاشتعال ويمنع إضافة مواد تطيل عمر البطارية. يعتقد الباحثون أن أحد الحلول هو استخدام الإلكتروليتات الصلبة بدلاً من السائلة.
تعد بطاريات الحالة الصلبة هذه بمجموعة واسعة من المزايا مقارنة بنظيراتها السائلة. قبل كل شيء، فهي توفر كثافة طاقة أعلى؛ مما يعني أنها تستطيع تخزين المزيد من الطاقة لكل وحدة حجم أو وزن، مما يؤدي إما إلى عمر بطارية أطول أو حزم بطاريات أصغر حجمًا وأخف وزنًا. كما أنها تعد بدورة حياة أطول؛ تحمل المزيد من دورات الشحن والتفريغ دون أن تتدهور، وبالتالي زيادة عمر البطارية. كما يتيح استخدام المنحل بالكهرباء الصلب إمكانية الشحن بشكل أسرع بكثير دون التعرض لخطر تلف البطارية بسبب النقل الأيوني الأكثر كفاءة.
يمكن أن تعمل بطاريات الحالة الصلبة عبر نطاق درجات حرارة أوسع من البطاريات السائلة، مما يسمح باستخدامها بشكل أفضل في الظروف الجوية القاسية. تعتبر بشكل عام أكثر أمانًا لأن الإلكتروليت الصلب يقلل من خطر حدوث دوائر قصيرة وارتفاع درجة الحرارة، مما قد يؤدي إلى حرائق أو انفجارات في البطاريات السائلة. وأخيرًا، يمكن تصنيع الإلكتروليت الصلب من مجموعة واسعة من المواد الأرخص والأكثر صداقة للبيئة.
بشكل عام، تتمتع بطاريات الحالة الصلبة بالقدرة على إحداث ثورة في صناعة البطاريات من خلال تقديم أداء محسّن وأمان وطول عمر مقارنةً ببطاريات الليثيوم أيون التقليدية. يقول تيو لومبارد، مصمم نماذج الطاقة لـ "نظرًا لكثافة الطاقة العالية التي تتمتع بها، ستكون بطاريات الحالة الصلبة أكثر ملاءمة للمركبات الكهربائية بدلاً من أنظمة تخزين الطاقة [الثابتة]، ويمكن أن تكون بالفعل مساهمًا رئيسيًا في كهربة وسائل النقل الثقيل". النقل في وكالة الطاقة الدولية (IEA).
"قفزة للأمام" في تصميم بطاريات الحالة الصلبة
طور باحثو SEAS بطارية بحجم طابع بريدي باستخدام تصميم "خلية الحقيبة"، بدلاً من البديل النموذجي "للخلية المعدنية". احتفظت البطارية بسعة 80% بعد 6,000 دورة شحن وأداء جيد في درجات الحرارة المنخفضة. وقد تفوقت هذه البطارية على بطاريات الحالة الصلبة الأخرى، حيث وجد الباحثون طريقة لتصنيعها باستخدام أنود من معدن الليثيوم، والذي تبلغ سعته عشرة أضعاف قدرة أنود الجرافيت النموذجي.
كان التصميم الجديد متعدد الطبقات والمواد المتعددة قادرًا على التغلب على المشكلة المنتشرة المتمثلة في "التشعبات" - وهي هياكل تشبه الجذور تنمو من سطح الأنود إلى المنحل بالكهرباء. يمكن لهذه أن تخترق الحاجز الذي يفصل الكاثود المقابل، مما يؤدي إلى حدوث ماس كهربائي في البطارية، وفي بعض الأحيان، تشتعل فيها النيران.
ويمكن أن يؤدي العمر الطويل للبطارية - أي ما يعادل حوالي 30 عامًا - إلى تقليل تكلفة المركبات الكهربائية بشكل ملحوظ، في حين أن القدرة على شحن البطارية في غضون دقائق تمنحها كثافة طاقة استثنائية يمكن أن تناسب تطبيقات أخرى.
"لقد تمكنا من شحن البطارية خلال 5-10 دقائق لمدة 6,000 دورة؛ يقول شين لي، الأستاذ المشارك في علوم المواد في SEAS، والباحث الرئيسي في المشروع: “عادةً ما يستغرق شحن بطاريات السيارات الكهربائية عدة ساعات، وتتراوح عدد دوراتها بين 1,000 و2,000 دورة”. "يظهر بحثنا أيضًا أنه يمكنك استخدام مواد أخرى كأنود، مثل الفضة أو المغنيسيوم أو السيليكون. إنها بالتأكيد قفزة إلى الأمام نحو توسيع نطاق الإنتاج الضخم لبطاريات الحالة الصلبة.
"من المختبر إلى العالم الحقيقي"
ومع ذلك، ليس الجميع مقتنعين. يقول لومبارد: "إن التحدي الحالي الذي تواجهه بطاريات الحالة الصلبة هو التنفيذ والتوسع، بدلاً من الحصول على شيء أفضل على مستوى الخلية".
من وجهة نظر هندسية، فإن التحدي الذي لم تتمكن الصناعة من التغلب عليه بعد هو تصنيع مجموعة بطاريات الحالة الصلبة القادرة على تحمل الضغط العالي للغاية مع القدرة أيضًا على "التنفس" - التوسع والانكماش. يقول لومبارد: "إن حل هذه المشكلة يمكن أن يلغي مكاسب كثافة الطاقة التي تحققها بطاريات الحالة الصلبة، لذلك هذا سؤال تحتاج الصناعة إلى الإجابة عليه في السنوات القادمة من خلال عملية التوسع".
من منظور السلامة، هناك مشكلة أخرى يتعين على الشركات المصنعة للحالة الصلبة التغلب عليها وهي أنه حتى لو لم تشتعل النيران في بطارية الحالة الصلبة عند حدوث ماس كهربائي، فإن المواد الأخرى الموجودة في المحرك قد تشتعل فيها النيران. يقول لومبارد: "مرة أخرى، هذا تحدٍ هندسي يجب اختباره والتحقق منه على المستوى الصناعي".
وأخيرا، هناك العقبة الكبيرة المتمثلة في بناء سلسلة توريد لبطاريات الحالة الصلبة. وفقا للومبارد، تتطلب سلاسل توريد البطاريات مواد عالية الجودة بكميات كبيرة جدا، لأن البطارية تفشل في العمل حتى مع كمية ضئيلة من الملوثات. ويقول: "يستغرق بناء هذا وقتًا طويلاً". "وهذا أيضًا لأن مجال البطارية الأوسع ينمو بشكل كبير، لذا فإن الحالة الصلبة لا تدخل سوقًا ثابتًا بل سوقًا حيث تتحسن كل التكنولوجيا - بما في ذلك بطارية الليثيوم أيون التقليدية - بسرعة جنونية وتحتاج إلى اكتساب بعض التكنولوجيا. المساحة فيه."
بالنسبة إلى لومبارد، فإن نجاح بطاريات الحالة الصلبة لن يأتي من خلال إنجازات أكاديمية جديدة - "على الرغم من أهمية هذه الدراسة"، كما يحذر - ولكن بالأحرى كيف ستحل الصناعة التحديات الهندسية المتبقية وتطور سلسلة التوريد المرتبطة بها.
ويقول: "تتمتع بطاريات الحالة الصلبة بالكثير من الإمكانات، ولكن كيفية حل الصناعة لهذه التحديات [الهندسية] ستحدد ما إذا كانت ستسيطر على سوق بطاريات السيارات الكهربائية أو ما إذا كانت ستظل تطبيقًا متخصصًا للسيارات والشاحنات لمسافات طويلة جدًا".
وفقاً لبحث حديث أجرته شركة Focus، وهي منصة لتحليل الذكاء الاصطناعي تتنبأ بالاختراقات التكنولوجية بناءً على بيانات براءات الاختراع العالمية، فإن تكنولوجيا بطاريات الحالة الصلبة تتحسن بمعدل 31% على أساس سنوي. ورغم أنها مثيرة للإعجاب، إلا أن هذه الوتيرة ليست كافية حاليا لتعطيل الشركات القائمة ــ مع تحسن بطاريات الليثيوم أيون بنسبة مماثلة بلغت 30.5%.
وتوقعت وكالة الطاقة الدولية أن تلعب بطاريات الحالة الصلبة دورًا مهمًا في التحول إلى الصفر الصافي، وخاصة لإزالة الكربون من وسائل النقل الثقيلة من خلال تطبيقات مثل الشاحنات الكهربائية. يقول لومبارد: "لكن من المهم ألا نبالغ في المبالغة في تقدير هذه الصناعة أو التقليل من شأنها". ويتوقع أنه إذا نجحت بطاريات الحالة الصلبة في تحقيق إمكاناتها، فسيكون ذلك في وقت ما في ثلاثينيات القرن الحالي. "في الوقت الحالي، يجب نقلهم من المختبر إلى العالم الحقيقي."
ومن جانبه، يعتقد لي أنه بحلول عام 2030 تقريبًا قبل أن تصبح الحالة الصلبة سائدة. ويقول: "قبل ذلك، لا تزال هناك العديد من العوائق التقنية التي يتعين التغلب عليها". "إن الإنجازات [الأخيرة] لا تقدم بالضرورة موعد 2030 إلى الأمام، بل تجعل ذلك التاريخ ممكنًا."
مصدر من سيارة فقط
إخلاء المسؤولية: المعلومات المذكورة أعلاه مقدمة من just-auto.com بشكل مستقل عن Alibaba.com. لا تقدم Alibaba.com أي تعهدات أو ضمانات فيما يتعلق بجودة وموثوقية البائع والمنتجات.
