شهد عالم السيارات في السنوات الأخيرة تحولًا مذهلاً، فلم تعد المركبات الكهربائية مجرد حلم بعيد المنال وإنما أصبحت واقعاً يتجلى أمام أعيننا على الطرقات. ومع هذا الانتشار المتزايد، كان لا بد من تطوير بطاريات هذه السيارات لتكون أكثر كفاءة وأمانًا. لقد بدأت الرحلة مع بطاريات الرصاص الحمضية وهيدريد النيكل، ثم تألقت بطاريات الليثيوم أيون السائلة كخيار مثالي لحقبة طويلة من الزمن. ولكننا اليوم نقف على أعتاب عصر جديد يتجسد في تقنية مثيرة تُعرف باسم بطاريات الحالة الصلبة. هذه البطاريات، والتي لا تزال في مرحلة التطوير، إلا أنها تحمل في طياتها وعودًا كبيرة، ومن المتوقع لها أن تُحدث ثورة حقيقية في صناعة السيارات الكهربائية وتعيد تشكيل قواعد اللعبة بشكل جذري.
في هذا المقال سنتعرف معاً على بطاريات الحالة الصلبة، ميزاتها وتطبيقاتها وآخر الأبحاث المتعلقة بها.
ما هي بطاريات الحالة الصلبة (Solid State Battery)؟
تحتوي بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في السيارات الكهربائية على كهرليت سائل، تتدفق الأيونات من خلاله في اتجاه واحد لشحن البطارية وفي الاتجاه الآخر عند تفريغها. في حين أن بطاريات الحالة الصلبة فكما يوحي اسمها، تستبدل هذه البطاريات الكهروليت السائل بمادة صلبة.
تتكون بطاريات الليثيوم أيون ذات الحالة الصلبة من المصعد، المهبط، والكهرليت الصلب إذ يتم توصيل المصعد برقاقة نحاسية، مما يساعد على تحسين التوصيل الكهربائي للبطارية
تتحرك أيونات الليثيوم في المركب الكيميائي المصنع للمهبط (LiCoO2) أثناء دورة الشحن، نحو الكهرليت وتعبر أيونات الليثيوم إلى طبقات الكربون في المصعد من خلال الكهروليت. أثناء دورة التفريغ، تحدث العملية العكسية، وتنتقل أيونات الليثيوم عبر الكهروليت نحو المصعد.
ميزات بطاريات الحالة الصلبة
تتميز بطاريات الحالة الصلبة بإمكانية تغلبها على العديد من المشكلات الموجودة في البطاريات الأخرى ذات الكهرليت السائل. تبر إحدى أهم ميزاتها في كثافة الطاقة العالية، الأمر الذي يقود إلى مركبات كهربائية خفيفة الوزن وأكثر كفاءة مع مدى قيادة أطول.
بالإضافة إلى أن هذه البطاريات تعتبر أكثر أماناً وتشحن بشكل أسرع مقارنة ببطاريات الليثيوم أيون الحالية. كما أن بطاريات الحالة الصلبة تتميز باستقرار أدائها عند الجهد المرتفع ودرجات الحرارة المرتفعة والمتغيرة بشكل عام.
ومن الميزات الأخرى التي تتميز بها بطاريات الحالة الصلبة طول عمرها والذي يعتمد بشكل خاص على خصائص الكهروليت إذ أن الكهروليت الصلب يتدهور بشكل أقل من الكهروليت السائل مما يسمح بإطالة عمر البطارية بشكل أكبر.
بالإضافة إلى ما سبق فإن أبرز ما تتميز به هذه البطاريات هو إمكانية تشكيلها بأشكال مختلفة فمن السهل جعلها أصغر وأرق أو إعطائها شكل منحني فلا هناك أي مخاوف من تسرب السائل الموجود في البطاريات العادية.
تطبيقات تستخدم بطاريات الحالة الصلبة
تتمتع بطاريات الحالة الصلبة بسعة أكبر وإنتاجية أعلى من بطاريات الليثيوم أيون، ومن المتوقع أن تُستخدم في الطائرات والسفن بالإضافة إلى استخدامها في المركبات الكهربائية. وبما أنها مقاومة لتغيرات درجات الحرارة فإنه من المحتمل أن تتوسع تطبيقاتها لتشمل الأجهزة المستخدمة في الفضاء الخارجي. ومن التطبيقات الأخرى التي تستخدم بطاريات الحالة الصلبة نذكر الأجهزة الطبية مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب وإزالة الرجفان. كما يمكن استخدامها في عدد من معدات البستنة. فضلاً عن استخدامها في صناعة الأقمار الصناعية نظراً لخفة وزنها وانعدام قابليتها للاشتعال.
بعض التحديات التي تواجه التطبيق العملي لهذه البطاريات
مواد الأقطاب الكهربائية: إذ أنه لا بد من تطوير الأقطاب الكهربائية لتخزين المزيد من الطاقة بنفس الوزن والحجم.
عملية التصنيع: تختلف عملية تصنيع بطاريات الحالة الصلبة عن بطاريات الليثيوم أيون نظرًا لتغير حالة الكهرليت من سائل إلى صلب. فقد تعتمد بطاريات الحالة الصلبة على مواد مختلفة مثل الأكاسيد والكبريتيدات والنتريدات والتي تتمتع بحساسية عالية للرطوبة، إذ يمكن أن تتحلل عند تعرضها لرطوبة الهواء. لذلك، يتطلب إنتاج بطاريات الحالة الصلبة مراقبة دقيقة لمستويات الرطوبة، مما يستدعي تجهيز مرافق خاصة مثل الغرف الجافة.
أحدث الأبحاث المتعلقة ببطاريات الحالة الصلبة
في يناير 2024، قدم باحثون من كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد (SEAS) بطارية حالة صلبة مصعدها من الليثيوم المعدني مع إمكانية شحن/تفريغ مثيرة، إذ تمكنوا من تحقيق 6000 دورة، وهو أكثر من أي خلية بطارية أخرى في السوق. وقد بدأت أبحاثهم في عام 2021 وواجهتهم مشكلة مألوفة تتمثل بتشكيل الشجيرات (dendrites) على سطح المصعد.
في البداية اقترح الباحثون تصميم بطارية متعددة الطبقات، بتطبيق مواد متفاوتة الاستقرار. وركز هذا النهج على التحكم في تشكل الشجيرات واحتوائها بدلاً من منع ظهورها.
في البحث الأحدث، نجح الفريق في منع تشكل الشجيرات من خلال دمج جزيئات السيليكون (من رتبة الميكرون) مع المصعد، مما أدى إلى إعاقة التفاعل مع الليثيوم بشكل فعال. وقد سهّلت هذه الاستراتيجية الطلاء المنتظم والمتجانس لطبقة سميكة من الليثيوم المعدني حول النواة السيليكونية، مما أدى إلى إنشاء سطح ناعم أملس يضمن توزيعًا متساويًا لكثافة التيار ويمنع نمو الشجيرات. ووفقاً للباحثين فإنه بفضل هذا التصميم المبتكر يمكن شحن هذه البطارية في غضون 10 دقائق فقط.
بطارية جديدة بكثافة طاقة عالية
وفي ذات السياق تمكن باحثون أوروبيون من إنتاج نموذج أولي لبطارية حالة صلبة توفر كثافة طاقة أعلى بنسبة 20% من بطاريات الليثيوم الحالية.
لقد بلغت كثافة الطاقة للبطارية 1070 واط ساعة لكل لتر مقارنة بنظيرتها الليثيوم أيون والتي تبلغ 800 واط ساعة لكل لتر. حيث استخدم الفريق البحثي مهبطاً مصنوعاً من النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) مع مصعد رفيع من معدن الليثيوم وفاصل رقيق من الكهروليت الصلب الذي تم تطويره من قبل شركة تقنية في فرنسا باستخدام مادة نانوية مركبة مبلمرة تعتمد على سائل أيوني مخصص للنموذج الأولي.
ومما يستحق ذكره أنه بالإضافة إلى كثافة الطاقة العالية التي تتمتع بها البطارية الجديدة فإنه يمكن تصنيعها في درجة حرارة الغرفة وبالاعتماد على خطوط إنتاج بطاريات الليثيوم أيون الحالية.
كما وقد قلل الباحثون وقت شحن الخلية إلى 3 ساعات وحسنوا من استقرارها الحراري مقارنة بخلايا الليثيوم أيون.
الخاتمة
تمثل بطاريات الحالة الصلبة قفزة نوعية في عالم تخزين الطاقة، ومع مزاياها المتنوعة بين الأمان وكثافة الطاقة العالية وطول العمر فإنها تعد بفتح آفاق جديدة في قطاع السيارات الكهربائية والعديد من التطبيقات الأخرى. وعلى الرغم من التحديات التي تواجه تطويرها وتصنيعها على نطاق واسع، إلا أن الأبحاث المتسارعة في هذا المجال تبشر بمستقبل واعد. ومن المتوقع أن تشهد السنوات القادمة انتشارًا واسعًا لبطاريات الحالة الصلبة، مما يساهم في تسريع التحول نحو مستقبل أكثر استدامة وكفاءة.
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة والسيارات الكهربائية…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصادر: Empa engineering
